在如今，為了更好地預測機械零件的壽命，直升機行業(yè)已經開始越來越重視數(shù)字孿生技術的發(fā)展。因為可用于測量飛行期間載荷的傳感器數(shù)量有限，所以為了計算機械零件承受的所有載荷，則可以進行模擬仿真以進行補充。對于仿真計算來說，因為直升機動力學系統(tǒng)的復雜性，所以使用多體動力學的形式建立多個子系統(tǒng)的局部模型是有效的方法。本文將介紹某國外直升機主旋翼傾斜盤為研究對象創(chuàng)建數(shù)字孿生體的案例。
01、直升機動力系統(tǒng)數(shù)字孿生特性介紹
數(shù)字孿生是“實際物理產品的數(shù)字表示”。它將從產品中獲取的一些信息作為輸入數(shù)據，提供有關該產品在運行中的行為的附加信息。
在直升機工業(yè)中，數(shù)字孿生技術可以幫助我們更好地維護直升機動力系統(tǒng)。相對于傳統(tǒng)的直升機結構，動態(tài)系統(tǒng)包括槳葉、主旋翼、主齒輪箱、液壓傳動、發(fā)動機、尾槳和尾齒輪箱。這些系統(tǒng)通過運動學連接，將動力傳遞給葉片，以提供飛機的推力和升力。了解這些系統(tǒng)的機械部件在實際使用條件下所承受的載荷，將使公司能夠準確地知道部件的壽命和更換時間。
直升機在飛行狀態(tài)下，對大部分機械部件運行狀態(tài)的測量都會非常困難。比如，圖1照片中橙色的傳感器電纜數(shù)量眾多，體積龐大。由于直升機旋翼的動態(tài)運動，旋轉部件如變槳桿等部位，不容易安裝傳感器。即便安裝好，飛行過程中的維護也會非常困難。
這就是為什么引入數(shù)字孿生概念，它將有助于我們從系統(tǒng)中某些特定部位的傳感器數(shù)據，計算出其它大部分部件的實時荷載。作為構建數(shù)字孿生模型方法的一部分，使用多體動力學仿真，是因為它確實是計算機構關節(jié)處荷載和位移的方法之一。由于旋翼的研究需要能夠處理大位移的情況并考慮動力學效應，因此多體的形式具有很好的適應性。
圖1.用于驗證的直升機主旋翼
考慮到系統(tǒng)的一些特性。從電機到葉片，所涉及的零件和系統(tǒng)非常多。我們必須將之細分為多個子系統(tǒng)，并初步建立相關的局部模型。下面介紹其中一個子系統(tǒng)，即主旋翼控制系統(tǒng)。
02、直升機動力系統(tǒng)多體仿真研究進展
直升機動力學系統(tǒng)中某些結構或節(jié)點的非線性行為會嚴重影響多體模型的計算結果，例如，帶有彈性部件的節(jié)點通常用于主旋翼頂部作為超前-滯后阻尼器。它們的剛度和阻尼特性是非線性的，取決于位移和速度。另外如一些結構部件，如葉片，具有極大的柔性，它們所承受的載荷會與其運動中的形變會產生耦合。所以為了從多體模型中得到正確的結果，則必須考慮這些特性。
行業(yè)專家在對比了大量仿真結果和測試測量結果之間的差異后，提出了一個新的建?？蚣芤愿倪M動態(tài)直升機系統(tǒng)的一些負載預測。該框架使用有限元方法的非線性力學求解器搭建，并使用一種創(chuàng)建超單元的方法去對柔體建模，如葉片的截面。該方法通過模擬一個裝有葉片并在懸停狀態(tài)下旋轉的主旋翼進行了驗證。圖2可以觀察到葉片的旋轉位移，而且還確定了主旋翼載荷的分布，并與臺架試驗結果進行了比較。
圖2.基于多體仿真的葉片位移計算
03、分析傾斜盤組件的相關載荷
建立一個能夠有效模擬旋翼控制系統(tǒng)動態(tài)行為的數(shù)字孿生模型非常困難。傾斜盤，是一個將位移從“固定坐標系”切換到“旋轉坐標系”以控制葉片入射角的機構，也是數(shù)字孿生模型中最難處理的部分之一。
圖3所示的系統(tǒng)包括液壓傳動裝置、固定傾斜盤、主旋翼旋轉傾斜盤、傾斜盤之間的滾珠軸承、旋轉剪和固定剪、球面軸承和變槳桿。
固定傾斜盤的位置由液壓傳動桿控制。該傾斜盤被視為固定的，因為它不隨主旋翼桅桿旋轉。然而，它有一個給定的機動性，因為它可以沿著主齒輪箱（MGB）外殼滑動，并通過球面軸承繞垂直于桅桿的兩個軸旋轉。主旋翼旋轉傾斜盤與變槳桿相連。轉動配重與葉片相連。旋轉剪允許傾斜盤繞旋翼桅桿軸旋轉。滾珠軸承是兩個傾斜盤之間的連接關節(jié)。
圖3.主旋翼控制機構
04、利用實驗數(shù)據建立仿真關系
4.1實驗數(shù)據的使用
將搭建的主旋翼數(shù)字孿生體與實驗臺架相連。如圖4所示，該臺架僅由屬于主旋翼控制機構的零件組成并可以設置成靜態(tài)載荷或者動態(tài)載荷。
通過臺架測量到的測量值可以用作數(shù)字孿生體的輸入。如前文所述，變槳桿和旋轉剪這兩個旋轉部件的載荷在飛行過程中無法測量，但現(xiàn)在可以借由數(shù)字孿生體仿真計算。之后可再與試驗臺的試驗結果進行比較。
圖4.主旋翼臺架
4.2傾斜盤的多體仿真
對于傾斜盤的數(shù)字孿生模型來說，需要考慮的首先是傾斜盤本身的靈活性，另外還有傾斜盤之間的雙排滾珠軸承（如圖5所示）。兩者的變形都會為主旋翼的載荷產生影響。
圖5.傾斜盤側面透視圖
傾斜盤組件模型的完整示意圖如圖6所示。在這張圖中，模型呈現(xiàn)在一個徑向平面上，由以下元素組成：
-固定傾斜盤的超單元（黃色）：這個超單元反映了固定傾斜盤臂的靈活性
-旋轉傾斜盤的超單元（紫色）：軸承外圈是這個超單元的一部分
-被稱為“固定上部傾斜盤”（藍色）的剛體：通過鉸鏈關節(jié)與固定傾斜盤的超單元連接。
-剛性內環(huán)（綠色）與固定上部傾斜盤滑動連接。
-彈簧元件（紅色）。在每個滾珠的右側，一個彈簧連接外圈座圈的中心到內圈座圈的中心，表示滾珠和座圈之間的接觸剛度。
-連接到外圈（橙色）的剛性元件，將傾斜盤超單元的節(jié)點連接到外圈座圈的中心。
圖6.傾斜盤組件模型圖
圖7是傾斜盤模型的全局視圖。右下角藍色框內放大了圓環(huán)中心之間的彈簧。
圖7.傾斜盤模型全局視圖
4.3結果和模型驗證
圖8展示了在給定的仿真時間內，數(shù)字孿生模型相關零件的位移量。
圖8.主旋翼位移量
對主旋翼系統(tǒng)進行臺架試驗，并與數(shù)字孿生系統(tǒng)的仿真結果進行比較。圖9顯示了軸向變槳桿載荷的演變。仿真結果與試驗結果的差距較小，驗證了所選方法的有效性。
圖9.臺架試驗中變槳桿的無量綱軸向載荷
參考文獻：D.Guivarch,E.Mermoz,Y Marino,M.Sartor，2019，Creation ofhelicopter dynamic systems digital twin using multibody simulations
