基于CCAR25部水上迫降條例的民機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)

李 旦

基于CCAR25部水上迫降條例的民機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)

李 旦

本文根據(jù)民用飛機(jī)適航條例CCAR－25部，其中對(duì)于飛機(jī)水上迫降性能審定合格的定義為必須通過(guò)模型試驗(yàn)或與已知水上迫降性能的飛機(jī)進(jìn)行比較，來(lái)檢查飛機(jī)在水上迫降過(guò)程時(shí)極可能出現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在民航鄰域，由于真機(jī)試驗(yàn)會(huì)帶來(lái)成本昂貴、耗費(fèi)人力等諸多不足，使得數(shù)值模擬方法擁有了廣泛的應(yīng)用空間。本文采用SPH方法，即光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)法，此方法可以模擬大變形、流固耦合、液體飛濺等有限元法無(wú)法解決的問(wèn)題，本文的研究工作體現(xiàn)了SPH方法研究水面沖擊問(wèn)題上的優(yōu)越性，從而在數(shù)值模擬飛機(jī)水上迫降時(shí)可以大大的節(jié)約成本，提高研究效率，為今后的數(shù)值模研究技術(shù)奠定良好的基礎(chǔ)。

當(dāng)今世界，經(jīng)濟(jì)全球化趨勢(shì)已然漸成。國(guó)與國(guó)之間的政治、軍事、經(jīng)濟(jì)、文化等諸多方面交流越來(lái)越頻繁，使得以民航飛機(jī)為主要運(yùn)輸方式的跨海飛行體現(xiàn)出強(qiáng)大的優(yōu)越性。然而飛機(jī)的跨海飛行，又會(huì)帶來(lái)諸多亟待解決的問(wèn)題，其中水上迫降就是典型問(wèn)題之一。美國(guó)海軍航空研發(fā)中心曾經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析了1972到1981年飛機(jī)水上迫降事故發(fā)生次數(shù)，其中直升機(jī)總的發(fā)生事故184次，水上迫降事故達(dá)到了83次，而其中10次發(fā)生了機(jī)毀人亡的災(zāi)難，固定翼飛機(jī)發(fā)生的事故總共有71次，水上迫降了19次，其中有7次發(fā)生了機(jī)毀人亡的災(zāi)難，不難看出水上迫降的事故發(fā)生率相當(dāng)之高。近幾年的水上迫降案例中，也出現(xiàn)過(guò)水上迫降成功的案例。例如美國(guó)紐約當(dāng)?shù)貢r(shí)間2009年1月15日，一架全美航空公司Airbus A320客機(jī)，因?yàn)轱w鳥(niǎo)撞入發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)失效，導(dǎo)致飛機(jī)緊急迫降在哈德遜河上，所幸機(jī)上所有人員全部獲救?？v觀民機(jī)水上迫降的特點(diǎn)，可以看出研究水上迫降需要解決的問(wèn)題為飛機(jī)在水面經(jīng)過(guò)滑行后停止時(shí)其完整性是否能得到保證，停止水面后能否有足夠的漂浮時(shí)間等待救援。由于采用真機(jī)試驗(yàn)成本過(guò)于昂貴，需要耗費(fèi)大量的人力物力，所以使用數(shù)值模擬方法具有明顯的優(yōu)越性。

SPH方法基本原理

SPH方法的核心思想

在SPH方法中引入近似場(chǎng)函數(shù)，用積分的方式表達(dá)函數(shù)，一般最常用的核函數(shù)為W4－Bspline核函數(shù)，在運(yùn)用粒子近似法進(jìn)一步近似上述方程，在計(jì)算機(jī)進(jìn)行最后的計(jì)算時(shí)，每個(gè)步長(zhǎng)都需要運(yùn)算粒子近似過(guò)程，這些隨意分布的粒子并不需要建立連接屬性，可以很好的模擬大變形和復(fù)雜物理現(xiàn)象，使得該方法在流體力學(xué)等領(lǐng)域中得到快速的的發(fā)展和應(yīng)用。

SPH方法基本原理

光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)基本原理是采用單個(gè)的質(zhì)量元表示水域等流體區(qū)域，質(zhì)量元在后處理中可以通過(guò)不同的關(guān)鍵字進(jìn)行賦值，使用連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程以及能量守恒方程來(lái)控制粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，例如位移、速度以及加速度等。

彈丸沖擊水面數(shù)值模擬

馮·卡門(mén)水面沖擊理論

馮·卡門(mén)水面沖擊理論揭示了錐形體與水面沖擊時(shí)兩者動(dòng)量保持不變，沖擊過(guò)程中水體與錐形體保持相同的速度。液體的黏性、水體所產(chǎn)生的浮力與錐形體本身的重力忽略不計(jì)。但是，在實(shí)際情況中，水體產(chǎn)生的浮力與兩者之間產(chǎn)生的摩擦力導(dǎo)致動(dòng)量守恒很難實(shí)現(xiàn)，所以這點(diǎn)也是該沖擊理論的不足之處。

數(shù)值模擬子彈侵徹水面

首先在LS－DYNA中建立子彈模型，同時(shí)為了簡(jiǎn)化運(yùn)算，將子彈設(shè)置成剛體，然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最后保存K文件。在LS－PREPOST中導(dǎo)入K文件并建立SPH區(qū)域，對(duì)相應(yīng)的關(guān)鍵字進(jìn)行賦值，例如定義子彈初速度為2m/s，同時(shí)為了使沖擊效果能夠更加明顯，在關(guān)鍵字CONTROL中對(duì)ENERGY各個(gè)參數(shù)賦值為2。由于SPH質(zhì)量元模擬水域，所以該區(qū)域密度賦值為1.0×103kg/m3。通過(guò)一系列的關(guān)鍵字設(shè)置，可以準(zhǔn)確的模擬沖擊效果，通過(guò)LS－DYNA Solver 中進(jìn)行求解，最終獲得子彈射入水域后的等效應(yīng)力云圖，如圖1所示。

通過(guò)受力云圖可以看出，距離子彈最近的水域所承受的沖擊力最大，沖擊力向四周逐漸延伸，沖擊效果慢慢減弱。在LS－PREPOST中保存三個(gè)坐標(biāo)軸上的加速度數(shù)據(jù)，在EXCEL中進(jìn)行處理，得到最終的加速度曲線(xiàn)。三個(gè)坐標(biāo)軸加速度曲線(xiàn)如圖2所示。

圖1 子彈沖擊水域受力云圖

圖2 子彈沖擊水域加速度

圖3 飛機(jī)水上迫降模型

圖4 飛機(jī)速度曲線(xiàn)圖

圖5 飛機(jī)加速度曲線(xiàn)圖

研究飛機(jī)水上迫降時(shí)，主要分析加速度的變化情況，所以這里用數(shù)值模擬子彈的加速度曲線(xiàn)進(jìn)行分析，為模擬水上迫降情況下分析加速度變化做準(zhǔn)備。根據(jù)上圖曲線(xiàn)變化趨勢(shì)，可以看出子彈剛接觸水域時(shí)加速度變化不大，在T=3s時(shí)刻三個(gè)坐標(biāo)軸加速度達(dá)到最大值，在終止時(shí)刻T=8s時(shí)加速度減小為零。通過(guò)數(shù)據(jù)分析可以看出，SPH方法對(duì)于模擬水的飛濺與分散、沖擊問(wèn)題與復(fù)雜的物理現(xiàn)象方面具有明顯的優(yōu)越性。

飛機(jī)水上迫降數(shù)值模擬計(jì)算

引言

由于采用真機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)成本昂貴，所以上個(gè)世紀(jì)對(duì)于水上迫降技術(shù)研究普遍采用飛機(jī)動(dòng)力模型試驗(yàn)，將模型自由拋出，控制模型的著水速度與入水仰角等參數(shù)，經(jīng)過(guò)多次不同參數(shù)設(shè)置試驗(yàn)，可以確定哪種姿態(tài)下迫降后機(jī)身腹部、蒙皮面板等實(shí)現(xiàn)最小損壞，模型靜止水面后漂浮時(shí)間最長(zhǎng)，從而獲得最優(yōu)的水上迫降效果。

數(shù)值模擬模型

當(dāng)前仿真模型大多數(shù)模擬飛機(jī)迫降在海平面上，這種情況比較復(fù)雜，需要考慮波浪的影響，同時(shí)海平面并沒(méi)有規(guī)則的波形，所以為了減少建模難度，提高計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度，這里假設(shè)海平面靜止 。經(jīng)過(guò)SPH方法中關(guān)鍵字賦值，得到水上迫降最終模型，如圖3所示。

數(shù)值模擬結(jié)果與分析

飛機(jī)主要運(yùn)動(dòng)方向?yàn)樗脚c垂直方向，通過(guò)控制水平方向速度可以獲取飛機(jī)在水面的滑行時(shí)間，垂直方向所得到的加速度可以知道機(jī)身腹部所受到的沖擊載荷。在LS－PREPOST中保存速度與加速度數(shù)據(jù)，導(dǎo)入EXCEL中進(jìn)行處理，可以得到兩個(gè)運(yùn)動(dòng)方向的速度與加速度曲線(xiàn)。飛機(jī)水平與垂直方向速度如圖4所示。

從圖4可以看出，飛機(jī)模型與海平面接觸后水平方向與垂直方向的速度迅速減小。在垂直運(yùn)動(dòng)方向，由于機(jī)身受到水面的沖擊作用，使得機(jī)身開(kāi)始向相反方向運(yùn)動(dòng)，又由于機(jī)尾受到吸力作用，導(dǎo)致機(jī)頭抬高，在水平方向速度的影響下，整個(gè)機(jī)身重心開(kāi)始上升，在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后機(jī)頭開(kāi)始下壓，機(jī)身與海面再次接觸，這時(shí)飛機(jī)速度逐漸減小，最終靜止在海平面上。

飛機(jī)水上迫降水平與垂直方向加速度如圖5所示。

由于水上迫降主要考慮機(jī)身所受到的沖擊載荷，所以本文主要分析垂直方向的加速度曲線(xiàn)。從圖5可以發(fā)現(xiàn)，機(jī)身腹部沖擊水面時(shí)水平與垂直方向瞬時(shí)加速度達(dá)到最大，沖擊作用過(guò)后，飛機(jī)的動(dòng)能減小，使得加速度峰值逐漸減小。由于機(jī)身受到多個(gè)力同時(shí)作用，可以看出加速度一直在變化，在機(jī)身受到水面的撞擊作用后，加速度方向發(fā)生變化，但是由于飛機(jī)速度逐漸減小，加速度慢慢趨于零。

總結(jié)

在LS－PREPOST中對(duì)飛機(jī)的著水速度與著水姿態(tài)角等參數(shù)進(jìn)行不同賦值，可以得到最優(yōu)的水上迫降姿態(tài)角。根據(jù)數(shù)值模擬得到的結(jié)果，一般飛機(jī)仰角為12度時(shí)結(jié)果最為理想，此姿態(tài)角可以獲得較小的加速度，很大程度上減小了飛機(jī)機(jī)身腹部受到的沖擊載荷，提高水上迫降的安全性。SPH方法作為一種簡(jiǎn)單、高效的無(wú)網(wǎng)格方法，在流體力學(xué)領(lǐng)域具有廣闊前景，尤其在流體沖擊問(wèn)題方面具備其他有限元法所不能解決的優(yōu)勢(shì)。今后通過(guò)不斷地對(duì)SPH算法進(jìn)行完善，該方法必然會(huì)在工程實(shí)際問(wèn)題中得到應(yīng)用。

李 旦

中國(guó)民用航空飛行學(xué)院

研究生創(chuàng)新項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：X2015－5

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.09.010