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当飞机拦阻系统高速碰撞过程的数值模拟

2021-09-14 21:54:11  盛康机械网

飞机拦阻系统高速碰撞过程的数值模拟

摘要:针对目前飞机拦阻系统缺少有效设计方法的现状,利用动力学有限元方法,对拦阻系统在飞机高速碰撞下的拦截过程进行了数值模拟。该方法较为真实地模拟了整个拦截过程,计算结果和试验测试5. 图形曲线尺度自动zui佳化Auto Scale数据一致,可以实现对体的强度、结构设计;可以对飞机的破坏情况进行评估;同时,可以验证制动器的控制规律,进而对控制规律进行改进。本文方法可用于拦阻系统的实际设计。

关键词:飞机拦阻系统,数值模拟,有限元,碰撞

1 概述

飞机拦阻系统是一种重要的机场地面设施,主要用于陆基、舰基飞机的应急拦阻和舰基飞机的自由飞着陆等,是飞机着陆控制的辅助措施。拦阻系统对于保障飞机的起降安全,减少地面事故,起着非常重要的作用。

图1 陆基拦阻系统组成示意图

陆基的拦阻系统主要由以下几个主体部分组成(图1为拦阻系统的组成和工作示意图):1)体,一般由尼龙复合材料制作,是整个拦阻系统的捕获部分;2)制动器,是拦阻系统的关键部分。要求针对不同质量、不同撞速度的飞机在限定距离内被拦停,且过载状况能够满足要求,需采取合适的控制规律设计。目前,其耗能方式主要有利用摩擦、水涡轮耗能等。3)立机构,主要功能是实现体的立、放。4)刹车带,连接制动器和体,实2. 碳纤维增强聚合物:几近Polestar 1上所有的车身部件现力的传递,要求抗拉强度好。

飞机拦阻系统的设计主要有以下几个难点:1)制动器的控制规律设计。目前此方面的研究已在国内展开[1]。2)体结构的强度设计,目前主要是根据经验和体材料静态力学性能、采取较大的裕度设计来保证实现拦阻功能。3)拦阻碰撞过程的数值仿真。通过数值模拟整个拦截过程,对控制规律和体结构、强度设计的进行验证和改进。现有文献在控制规律设计时,均假设飞机为简单质量点,从而建立运动学和动力学方程进行求解,这和实际飞机的拦阻过程有差别[1,2]。

针对上述情况,本文采用动力学有限元方法,利用PAM-SHOCK软件作为求解器,对拦阻的拦阻过程进行较为真实的模拟。通过对飞机和拦阻的碰撞过程的数值模拟,了解体结构设计的合理性,同时,可以有效检验控制规律的可行性,为体结构强度设计、控制规律的验证提供一种直观、有效的设计方法。

2 疲劳实验机的保护与保养计算模型

2.1 系统离散

利用有限元单元对拦阻系统的体部分进行离散化建模。一般情况下,体部分由多层如图2(a)所示的单层组成。在有限元建模时,只能通过一层来模拟,体利用梁单元来实现离散,这样,随着体竖带的数目增加,横向(水平方向)的梁单元长度会非常小。因此,建模时,整个体的竖带的数目可进行适当比例的减小,而通过材料性能的比例强化来实现。体部分的离散模型如图2(b)所示。

(a)实际单层 (b)离散模型

图2 体部分的离散

飞机采用solid 8节点实体单元进行离散。某型飞机经实体建模后,划分的有限元格如图3所示。体部分,飞机,刹车带(采用梁单元)经离散后,整个飞机拦阻系统的有限元模型如图4所示,其中,刹车带为局部。

图3 飞机的有限元模型 图4 整个拦阻系统的有限元模型

2.2 控制规律的实现

对拦阻系统进行动态模拟时,怎样添加制动器对刹车带的控制力是数值模拟的一个难点。在实际飞机被拦截的过程中(如图5),两边的刹车带经导向轮后不断被拖长,刹车带在导向轮处受到两个斜后方向的控制力,力的变化规律根据制动器的控制规律来调节。也就是说,控制力通过固定不动的导向滑轮作用在运动的刹车带上。根据上述的加载过程和有限元计算的特点,本次计算采用如下方式来实现控制力的加载:1)将制动器的控制规律(力随时间的变化规律F-t)转换为力随刹车带位移变化的规律(F-S);2)将刹车带划分为间隔相等的梁单元,控制力施加在梁单元的节点上。3)节点上施加的力的大小将根据节点在刹车带所处的位置(即F-S函数关系)来确定(通过如图5所示的分解,添加在x和z两个方向)。每个节点上力开始作用的时刻t,持续时间段Δt,则根据图7的两条曲线得到(F-S-t关系)。也就是说,根据已有的制动器的控制规律(F-S-t),计算出只有正好运动到导向滑轮处的节点才被施加载荷,载荷作用持续时间为很小的Δt,当下一个节点运动至滑轮处后,上一个节点的受到的控制力就变为零。

图5 拦截过程中控制力的分解

图6 制动器控制力随时间变化规律(试验实测)

图7 制动器控制力随刹车带位移和时间变化曲线

2.3 材料模型

有限元建模时,体和刹车带采用梁单元,其材料模型选用PAM-SHOCK提供的material type 205 材料模型,典型的体竖带的材料拉伸试验数据如图8所示,材料数据将根据带的拉伸试验结果处理后得到。

图8 典型体材料拉伸试验数据

由于碰撞速度较高,飞机的材料数据主要采用了Al-2024的材料数据,其强度模型选用Johnson-Cook模型来描述:

上式中,A=2.65 Kbar, B=4.26 Kbar, n=0.34, C=0.015, m=1.0, Tmelt=775k。材料的密度,根据飞机的体积和重量重新进行计算。

3 仿真结果

某型飞机重1.95吨,以63.89m/s速度撞向体,对上述拦截过程的求解结果如图9所示,图中云图表示体带的受力大小。可以看到,通过数值模拟,可以对体的结构、强度进行设计。同时,还可以对飞机的破坏程度进行评估。

图9 拦截过程中体部分受力云图显示

飞机在拦截过我们没必要再去探测材料结构程中的位移和过载变化如图10和图11所示,从图10可以看出,飞机的拦停距离为193.5m,而试验测得的拦停距离为196m,是非常接近的。另外,过载变化也符合飞机的拦截要求。可以看到,利用数值模拟方法,可以对控制规律进行验证和改进。

图10 拦截中飞机距离随时间的变化规律 图11 飞机过载(加速度)随时间变化规律

4 结论

采用动力学有限元方法,实现了对拦阻系统的拦截过程数值模拟。该方法可用于对拦阻的结构、强度设计,对制动器的控制规律进行验证和改进,同时,还可以对飞机的破坏情况进行评估,可用于飞机拦阻系统的设计。

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参考文献

[1] 吴娟, 袁朝辉,某型飞机拦阻系统建模分析及仿真实现,空军工程大学学报(自然科学版),Vol2, No.6,pp, 2001。

[2] 胡孟权,林国华,舰载飞机着舰拦阻动力学分析,空军工程大学学报(自然科学版),Vol.1, No.5, pp,2000。(end)

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