救助直升机绞车支架拓扑优化设计与分析

摘要

直升机已成为现代陆、海上人命和财产救助的一种重要装备。救助绞车系统是救助直升机上的关键装备之一，受力复杂，其结构设计影响救助过程中救生员和绞车手操作便利牲、安全性和可靠性。本文基于人机工程学、拓扑优化、模态分析、疲劳分析理论，利用ANSYS Workbench有限元分析软件，进行了绞车支架的结构优化设计和分析，以提高其操作便利性、动态和疲劳特性。主要内容包括:
　　(1)在分析直升机救助过程中工况和受力特点的基础上，建立绞车及支架受力分析模型，给出五种典型工况，作为绞车及支架设计载荷工况条件，为绞车支架设计奠定基础;基于人机工程学原理，结合我国绞车手、救生员身体标准，进行绞车支架的结构尺寸及外形设计，并利用ANSYS Workbench软件对其在五种典型受力工况下的结构强度进行分析。分析结果表明，支架最大位移和应力值都发生在载荷后偏30°工况，分别为1.25 mm和246.37 Mpa，均满足结构要求。
　　(2)基于拓扑优化理论，利用ANSYS Workbench软件，对救助直升机绞车支架进行拓扑优化设计。设计案例分析表明，在应力和位移满足结构要求的前提下，拓扑优化后绞车支架的重量减轻12.5％，这将有助于提高直升机飞行的气动性能，减少飞行过程中的能耗和成本。
　　(3)基于ANSYS Workbench软件，对拓扑优化后的直升机救助绞车支架进行模态分析，提取绞车支架前六阶固有模态和振型，与直升机旋翼旋转频率进行对比。结果表明，六阶约束模态基频的频率为475.24 HZ，振型为横向平面一阶整体摆动，而旋翼的激励频率为24 HZ，绞车支架与旋翼满足不发生共振的条件。
　　(4)引入疲劳强度缩减因子，并利用Goodman曲线，修正绞车支架材料的S-N曲线，获得考虑形状、尺寸、表面状态、受载状况、平均应力等影响因素的绞车支架的S-N曲线;输入ANSYS Workbench中，分析获得绞车支架在加载脉动循环载荷下的寿命和安全系数云图。分析结果表明，在施加波峰值为极限工况下的脉动循环载荷后，对应循环次数大于107次，绞车支架具有无限寿命，满足疲劳强度要求。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 课题的研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 教助直升机绞车及支架研究现状

1．2．2 救助直升机绞车支架设计理论方法研究现状

1．3 本文主要研究内容

第2章 救助直升机绞车支架受力分析与结构设计建模

2．1 救助绞车及支架力学分析模型

2．1．1 外吊载荷

2．1．2 空气阻力

2．2 基于人机工程学的绞车支架设计建模

2．3 基于有限元法的绞车支架结构分析

2．3．1 有限元法简介

2．3．2 ANSYS Workbench应用

2．3．3 基于ANSYS Workbench的绞车支架结构分析

2．4 本章小结

第3章 救助直升机绞车支架拓扑优化设计

3．1 结构优化概述

3．2 变密度法拓扑优化

3．3 直升机绞车支架的拓扑优化

3．3．1 结构参数设置

3．3．2 绞车支架拓扑优化后再建模

3．3．3 拓扑优化模型的结构分析

3．4 拓扑优化模型的强度校核

3．5 本章小结

第4章 救助直升机绞车支架模态分析

4．1 结构动力学理论

4．2 模态分析理论

4．3 绞车支架的模态分析

4．3．1 ANSYS Workbench模态分析模块简介

4．3．2 直升机绞车支架模态提取及分析

4．3．3 约束模态结果分析

4．4 直升机旋翼旋转频率分析

4．5 绞车支架振动特性分析

4．6 本章小结

第5章 救助直升机绞车支架疲劳分析

5．1 疲劳理论

5．1．1 疲劳基本概念

5．1．2 疲劳载荷类型

5．1．3 疲劳寿命曲线

5．1．4 疲劳失效影响因素及S-N曲线修正

5．2 基于ANSYS Workbench的绞车支架疲劳寿命分析

5．3 本章小结

第6章 结论与展望

参考文献

致谢