某型飛機后減速板建模與特性分析

劉國慶, 戴文芳, 田楨熔, 張朋朋

(1.空軍航空大學航空機械工程系,吉林長春 130022;2.空軍航空大學飛行訓練基礎基地,吉林長春 130062)

0 引 言

早期設計的飛機并沒有考慮到飛機飛行中所受到的振動載荷的影響,到了20世紀50年代,人類歷史上第一架噴氣式旅客機英國“彗星”號在飛行中接連發(fā)生爆炸墜海事故,一時引起世界震驚。經(jīng)研究是飛機氣密座艙因飛行高度變化,不斷受到增壓、減壓循環(huán)作用,導致機身金屬結(jié)構(gòu)出現(xiàn)疲勞效應而斷裂破壞所引起的。由于結(jié)構(gòu)往往受到各種載荷的作用,在使用中某型飛機后減速板多次出現(xiàn)蒙皮裂紋、鈦合金梁斷裂等故障[1]。依據(jù)1998年的統(tǒng)計結(jié)果,內(nèi)蒙皮裂紋一般發(fā)生在飛機服役2～12 a之間,個別飛機甚至僅飛行38 h就發(fā)現(xiàn)內(nèi)蒙皮裂紋,先后共發(fā)現(xiàn)13架次。后減速板鈦合金大梁斷裂一般發(fā)生在飛機服役3～6 a之間,平均時間為 253 h,最少累計飛行時間僅為165 h,先后共發(fā)現(xiàn)5架次。后減速板作動筒連接耳片斷裂發(fā)生在1架次,該架飛機累計飛行282 h。某型飛機是我國自主研制的一種高空、高速戰(zhàn)斗機,自研制以來,已經(jīng)發(fā)展出了多個型號、不同用途的飛機。限于設計年代和設計經(jīng)驗,該型飛機減速板布置時,未能充分考慮前減速板打開所產(chǎn)生的不穩(wěn)定氣流對正后方部件的激振作用,其結(jié)果是前減速板對后減速板產(chǎn)生強烈激振作用,導致后減速板頻繁出現(xiàn)結(jié)構(gòu)故障。該型飛機在空戰(zhàn)中經(jīng)常要進行機動轉(zhuǎn)彎,在高速下轉(zhuǎn)彎半徑很大,對空戰(zhàn)不利。如果飛機減速性能好,能以最短的時間減低飛行速度,并在較小的速度下轉(zhuǎn)彎,就能夠有效地擺脫敵機的攻擊,并使自己占據(jù)有利位置。后減速板的斷裂會影響飛機的機動操縱,嚴重時會危及到飛行安全,給國家?guī)砭薮蟮呢敭a(chǎn)損失。該型飛機是我空軍的中堅力量,保障該型飛機的安全與可靠是打贏現(xiàn)代化戰(zhàn)爭的重要因素。通過對后減速板斷裂的研究,可以全面掌握后減速板的斷裂規(guī)律,了解后減速板發(fā)生故障的趨勢,為飛機的保障提供重要的科學依據(jù),提高飛機檢查保障的效率,從而提高部隊的戰(zhàn)斗力[2-4]。

后減速板故障的頻繁發(fā)生,嚴重影響到飛機的機動操縱,威脅到飛行安全。目前,已有許多院校、科研機構(gòu)對后減速板開展了深入的研究。研究主要采取試驗分析、斷口形貌分析的方法。文獻[5]對后減速板采取地面振動試驗研究方法,模擬后減速板在飛行中所受載荷情況,分別對后減速板原狀態(tài)和后減速板開孔加型材結(jié)構(gòu),采用自由懸掛加靜載尖部激勵方式、地面固支加靜載尖部激勵方式、地面固支加靜載尖部偏心激勵方式、地面固支加靜載根部偏心激勵方式進行振動試驗。在原減速板結(jié)構(gòu)進行振動試驗過程中,大梁出現(xiàn)裂紋。在同樣試驗條件下,開口加型材減速板在預定的試驗周期內(nèi)未發(fā)現(xiàn)裂紋。試驗發(fā)現(xiàn),開口加型材的方式能有效減少氣流對后減速板的激振作用,延長后減速板的使用壽命。試驗分析法分析結(jié)果較客觀、準確,但采取試驗分析法具有研究成本高、周期長的特點,在試驗之前必須建立試驗樣機,如果試驗過程中樣機出現(xiàn)故障,試驗過程又要重新進行,而且在有些情況下對樣機進行試驗是非常危險的,因此試驗分析法具有一定的局限性。

文中以該型飛機后減速板為研究對象,應用有限元方法建立了該型飛機后減速板的有限元模型,模擬飛機在飛行中后減速板的受力情況和約束情況,進行靜態(tài)和動態(tài)特性分析。

1 飛機后減速板結(jié)構(gòu)及建模

1.1 后減速板結(jié)構(gòu)

后減速板是飛機上用于增加氣動阻力以降低飛行速度的可操縱面,對稱地布置在機身兩側(cè),不用時收入機身內(nèi),在閉合位置上緊貼飛機機體,其外表面是飛機流線型的一部分。當需要增加阻力時,由冷氣或液壓作動筒使后減速板開啟一定的角度,增加飛機的迎風面積并破壞飛機氣動外形,因而大大增加了飛行阻力,使飛機驟然減速。雖然后減速板的面積有限,在著陸滑跑中減速作用不大,但飛機飛行時卻是飛機機動的重要操縱面。

該型飛機共有4塊減速板,其中前減速板和后減速板各2塊,主要由內(nèi)蒙皮、外蒙皮和兩根減速板梁以及連接作動筒的固定接頭組成。后減速板的內(nèi)蒙皮由鋁合金板材制成,外蒙皮由鋁合金板材經(jīng)化銑制成,連接作動筒的固定接頭和梁是用鈦合金模鍛件經(jīng)機械加工制成,接頭與梁的連接采用螺栓。鈦合金零件與鋁合金零件的接觸處墊一層防接觸腐蝕膠布,并采用不銹鋼鉚釘鉚接。

1.2 后減速板建模

有限元模型是進行有限元分析的計算模型,它為有限元計算提供必需的原始數(shù)據(jù)。建立有限元模型時需要考慮的因素很多,不同問題所考慮的側(cè)重點也不一樣,但不論什么問題,建模時都要考慮到計算結(jié)果的精度。為使結(jié)構(gòu)有限元分析有足夠的精度,所建立的有限元模型必須在能量上與原連續(xù)系統(tǒng)等價。具體應滿足下述條件或準則[6-8]:

1)平衡條件。結(jié)構(gòu)的整體和任一元素在節(jié)點上都必須保持靜力平衡。

2)變形協(xié)調(diào)條件。交匯于一個節(jié)點上的各元素在外力作用下,引起元素變形后必須仍保持交匯于一個節(jié)點,整個結(jié)構(gòu)上的各個節(jié)點也都應同時滿足變形協(xié)調(diào)條件。若用協(xié)調(diào)元,元素邊界上亦應滿足相應的位移協(xié)調(diào)條件。

3)必須滿足的邊界條件(包括整個結(jié)構(gòu)邊界條件及元素間的邊界條件)和材料的本構(gòu)關(guān)系。

4)剛度等價原則。有限元模型的抗彎、抗扭、抗拉及抗剪剛度盡可能等價。

5)認真地選取元素,使之能較好地反映結(jié)構(gòu)構(gòu)件的傳力特點,尤其對主要受力構(gòu)件,應做到盡可能不失真。在元素內(nèi)部所采用的應力和位移分布函數(shù)必須是當元素大小遞減時,有限元解趨于連續(xù)系統(tǒng)的精確解。對于非收斂元應避免使用,對于波動收斂元應慎用。

6)根據(jù)結(jié)構(gòu)特點、應力分布情況、元素性質(zhì)、精度要求及計算量大小等仔細劃分計算網(wǎng)格。

7)在幾何上盡可能地逼近真實的結(jié)構(gòu)體,其中特別要注意曲線與曲面的逼近問題。

8)仔細處理載荷模型,正確生成節(jié)點力,同時,載荷的簡化不應跨越主要受力構(gòu)件。

9)當量阻尼折算應符合能量等價要求。

10)質(zhì)量的堆聚應滿足質(zhì)量質(zhì)心、質(zhì)心矩及慣性矩等效要求。

11)超單元的劃分盡可能單級化,并使剩余結(jié)構(gòu)最小。

所建立的有限元模型如能滿足上述準則,它們將能較好地應用于工程實際結(jié)構(gòu)分析。有限元模型是有限元分析過程的關(guān)鍵,模型合理與否將直接影響分網(wǎng)過程和網(wǎng)格形成、計算結(jié)果的精度、計算時間長短,以及計算過程能否完成。因此,幾何建模時并不是完全照搬結(jié)構(gòu)的實際形狀,而是根據(jù)形狀和邊界條件的特點,對結(jié)構(gòu)進行必要的簡化、變化和處理,以建立能夠滿足網(wǎng)格劃分、結(jié)果計算和降低模型規(guī)模的幾何模型。建模步驟如下[9-10]:

1)建立一個用來繪制二維線框的工作平面,可以選擇工作平面或零件的適當位置。

2)繪制并約束線框。開始時大致繪出草圖,然后再增加幾何約束條件和尺寸等約束條件,使其符合設計意圖。

3)使用三維實體造型操作的拉伸、旋轉(zhuǎn)、抽殼、布爾運算等創(chuàng)建零件或新特征。

重復上述過程直到完成零件設計。模型如圖1所示。

圖1 后減速板模型

網(wǎng)格剖分是有限元計算的基礎,決定著模型能否進行計算,正確合理的網(wǎng)格剖分至關(guān)重要。對后減速模型進行網(wǎng)格剖分,如圖2所示。

圖2 后減速板網(wǎng)格剖分

其中,網(wǎng)格剖分生成了 12492個節(jié)點和4630個單元。

2 飛機后減速板特性分析

2.1 靜態(tài)特性分析

后減速板為獨立的可操縱部件,所以不參加機身總體傳力,僅傳遞局部氣動載荷,只是減速板打開時的氣動載荷遠大于關(guān)閉狀態(tài)的載荷。氣動載荷首先作用在減速板的外蒙皮上,然后通過兩根鈦合金大梁和作動筒分別傳遞給機身結(jié)構(gòu)。打開時給外蒙皮加106N/mm2的壓力,作動筒接頭加107N的推力。打開后給外蒙皮加106N/mm2的壓力,作動筒接頭加約束,如圖3所示。

圖3 后減速板打開時的載荷和約束

進行求解得到后減速板打開時的應力圖如圖4所示。

圖4 后減速板打開時的應力圖

后減速板應力圖中右側(cè)顏色條從下到上的顏色變化依次代表構(gòu)件局部應力變大。從后減速板應力圖上找到對應的顏色區(qū)就知道該區(qū)域的應力情況,從而可以知道哪些地方受力較嚴重,變形厲害,進而為充分有效利用材料,設計出最合理安全可靠的結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù)。從圖4可以發(fā)現(xiàn),當后減速板打開時,后減速板鈦合金梁受力嚴重,是容易發(fā)生斷裂的區(qū)域。

2.2 動態(tài)特性分析

由于該型飛機前減速板打開時后減速板受到氣流的激振作用,長時間的激振作用會使后減速板發(fā)生疲勞斷裂,因此,對后減速板進行動態(tài)特性分析,掌握其固有頻率、振型等模態(tài)參數(shù)是非常必要的,對研究后減速板的斷裂起著重要作用。計算該型飛機后減速板的前三十階模態(tài),其中部分模態(tài)的固有頻率分別為:6.75×101Hz,2.11×102Hz,4.20×102Hz,4.39×102Hz,6.29×102Hz,7.35×102Hz,9.27×102Hz,9.66×102Hz,1.02×103Hz與1.94×103Hz。部分模態(tài)振型如圖5～圖9所示。

圖5 固有頻率為6.75×101Hz的模態(tài)振型

圖6 固有頻率為4.20×102Hz的模態(tài)振型

圖7 固有頻率為6.29×102Hz的模態(tài)振型

圖8 固有頻率為7.35×102Hz的模態(tài)振型

圖9 后減速板固有頻率為9.66×102Hz的模態(tài)振型

圖5～圖9中,后減速板有整體扭轉(zhuǎn)振動,并有局部彎曲變形。后減速板模態(tài)振型圖中右側(cè)顏色條從下到上的顏色變化代表構(gòu)件變形變大,振動變強。從后減速板振型圖上找到對應的顏色就知道該區(qū)域的振動變形情況。通過與顏色條對比發(fā)現(xiàn),后減速板鈦合金梁和內(nèi)蒙皮變形大,振動強,是容易發(fā)生斷裂的區(qū)域。

3 結(jié) 語

某型飛機在飛行中當前減速板和后減速板同時打開時,前減速板因氣流分離產(chǎn)生強烈不穩(wěn)定氣流,這些不穩(wěn)定氣流直接沖擊正后方處于打開位置的后減速板,不僅對后減速板形成彎、剪作用,而且還有強烈的激振作用。通過模擬后減速板在飛行時所受的載荷,對后減速板進行靜態(tài)和動態(tài)特性分析,發(fā)現(xiàn)在這些載荷下后減速板梁和內(nèi)蒙皮應力大,振動強,是容易發(fā)生斷裂的區(qū)域。

在對后減速板的日常檢查中,應特別注意梁和內(nèi)蒙皮是否有裂紋。在不影響后減速板總體功效、不影響飛機的機動性和敏捷性的條件下,應綜合考慮后減速板自身結(jié)構(gòu)和載荷環(huán)境進行改進?？梢酝ㄟ^改變后減速板開孔的形狀、位置、大小來改變氣流的激振作用,以減少氣流對后減速板的氣動載荷;通過改變梁和內(nèi)蒙皮的尺寸、材料,使梁和內(nèi)蒙皮的強度和剛度符合要求。

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