民航客機(jī)擾流板模擬器剛度仿真與試驗(yàn)

郁明輝 李 鵬 劉肖肖

南京航空航天大學(xué)，南京 211106

民航客機(jī)在到達(dá)目的機(jī)場(chǎng)時(shí)，要進(jìn)行穩(wěn)定的著陸過(guò)程。一般來(lái)說(shuō)，飛機(jī)的著陸過(guò)程常常包括5個(gè)階段：下滑、拉平、平飛、飄落和滑跑。飛機(jī)在即將抵達(dá)機(jī)場(chǎng)平穩(wěn)下滑時(shí)，在距離地面6～12m時(shí)，會(huì)增大迎角，進(jìn)入拉平階段。在平飛時(shí)，隨著速度減小以及迎角的不斷增大，飛機(jī)不斷減速；當(dāng)迎角增大到極限位置，飛機(jī)進(jìn)入飄落階段。當(dāng)飛機(jī)落地，進(jìn)入地面滑行階段后，剎車及相應(yīng)的減速輔助系統(tǒng)共同作用，平穩(wěn)停下飛機(jī)。

作為飛機(jī)的減速輔助系統(tǒng)裝置—飛機(jī)擾流板[1]，按作用不同分為地面擾流板(圖1)和飛行擾流板(圖2)。地面擾流板主要在飛機(jī)抵達(dá)地面進(jìn)行滑跑時(shí)啟用，一方面可以消除飛機(jī)機(jī)翼的升力，另一方面可以增大阻力，從而提高剎車效率，輔助剎車裝置實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的短距離平穩(wěn)停下。飛行擾流板作用更為豐富，它在飛機(jī)飛行過(guò)程中可以配合副翼進(jìn)行橫側(cè)操控，在飛機(jī)降落滑跑中配合剎車裝置達(dá)到減速作用。

為了對(duì)飛機(jī)地面擾流板的剛度特性進(jìn)行相關(guān)研究分析，設(shè)計(jì)一款擾流板模擬器對(duì)其進(jìn)行剛度仿真和試驗(yàn)分析。

圖1 地面擾流板

圖2 飛行擾流板

1 模擬器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

飛機(jī)在降落過(guò)程中，擾流板打開，與其相連的執(zhí)行機(jī)構(gòu)在空氣阻力條件下對(duì)擾流板呈現(xiàn)拉伸狀態(tài)，達(dá)到減速效果。為了模擬該減速過(guò)程中執(zhí)行機(jī)構(gòu)與擾流板之間的拉力-位置測(cè)試，設(shè)計(jì)出如下結(jié)構(gòu)的模擬器：通過(guò)對(duì)模擬器施加拉壓力，實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)模擬器剛度-位置呈線性變化。采用傳統(tǒng)的剛度模擬器結(jié)構(gòu)形式，即：采用變截面的彈簧板作為彈性元件，通過(guò)改變彈簧板支撐位置調(diào)節(jié)彈簧板的剛度系數(shù)，達(dá)到實(shí)現(xiàn)一定范圍的剛度線性變化的效果。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3。

圖3 模擬器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.1 數(shù)學(xué)模型

將彈性模擬器的受載情況[2]簡(jiǎn)化為圖4所示的雙支點(diǎn)間支梁，作用在中間的集中載荷。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化成圖3中彈簧板中間槽為通槽，這樣彈性板的變截面形狀即簡(jiǎn)化為圖5所示。

圖4 雙支點(diǎn)間支梁

圖5 彈性板的變截面形狀

1.2 計(jì)算公式

因?yàn)槭亲兘亓?，所以采用能量法進(jìn)行計(jì)算[3]：

1.3 計(jì)算結(jié)果

由以上尺寸圖可知：彈簧板最大寬a=145mm；彈簧板最小寬度b=60mm；彈簧板總長(zhǎng)c=297.5mm；彈簧板開槽寬度d=20mm；彈簧板厚度h=15mm。由此可以計(jì)算出剛度模擬范圍為3.1032×107～9.8152×108N/m。

2 模擬器結(jié)構(gòu)仿真

用有限元分析軟件ANSYS，結(jié)合上述理論公式推導(dǎo)出的模擬器剛度范圍，對(duì)不同厚度的模擬器進(jìn)行剛度仿真分析，結(jié)合試驗(yàn)，驗(yàn)證最佳剛度范圍。

2.1 有限元軟件簡(jiǎn)介

ANSYS是一款大型通用有限元分析軟件，可以對(duì)結(jié)構(gòu)、流體、聲場(chǎng)、電磁場(chǎng)和熱場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，廣泛應(yīng)用于土木、機(jī)械及水利等工程研究中[4]。

2.2 剛度模擬器模型的建立

利用ANSYS軟件對(duì)剛度模擬器進(jìn)行剛度分析，主要經(jīng)過(guò)以下5個(gè)步驟[5]：

1)前處理；

2)建立有限元分析模型；

3)對(duì)有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分；

4)對(duì)有限元模型施加載荷；

5)對(duì)有限元模型進(jìn)行求解和后處理。

2.2.1 前處理

由于本次剛度模擬器采用彈簧鋼材質(zhì)，故將材料屬性定義為硅錳鋼，彈簧鋼的彈性模量為E=2.06×105MPa，泊松比為μ=0.300，其余材料特性會(huì)隨之自動(dòng)生成。

2.2.2 模型建立

在ANSYS有限元分析軟件數(shù)據(jù)庫(kù)中有150多種不同單元類型可供選擇[6]。三維實(shí)體單元主要用于需要進(jìn)行材料選擇、載荷施加等分析的結(jié)構(gòu)仿真，這是區(qū)別于其他簡(jiǎn)單單元的重要特點(diǎn)[7]。本次對(duì)模擬器仿真建模采用三維實(shí)體單元進(jìn)行分析，結(jié)合材料選擇以及載荷施加，可以有效得到仿真結(jié)果。由于剛度模擬器的寬厚比比較大，在承受豎向作用力時(shí)會(huì)發(fā)生彎曲變形，可用ANSYS Workbench[8]仿真分析這一形變?cè)诓煌恢玫淖兓?。首先進(jìn)行草圖繪制，在草圖繪制界面按照尺寸在X-Y平面進(jìn)行繪制，先繪制剛度模擬器的輪廓，然后繪制剛度模擬器中的圓孔，最后對(duì)草圖進(jìn)行約束，約束完全草圖變成藍(lán)色(圖6)。繪制完成后沿Z方向進(jìn)行拉伸可得到三維實(shí)體剛度模擬器(圖7)。剛度模擬器的剛度測(cè)試位置發(fā)生變化，則模擬器的剛度會(huì)隨之變化。

圖6 約束草圖

圖7 三維實(shí)體剛度模擬器

2.2.3 網(wǎng)格劃分

在對(duì)有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，需要對(duì)網(wǎng)格劃分的尺寸進(jìn)行合理確定，因?yàn)閯澐值某叽绱笮?duì)計(jì)算結(jié)果的精確度有著直接且重要的影響。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)網(wǎng)格劃分精密度增加，計(jì)算結(jié)果的精確度也會(huì)隨之增加，但同時(shí)也增加了仿真計(jì)算的時(shí)間[9]。根據(jù)計(jì)算結(jié)果所需的精確度以及仿真計(jì)算的求解時(shí)間，綜合考慮，本文有限元網(wǎng)格劃分采用映射劃分，結(jié)合相關(guān)參考文獻(xiàn)，仿真將剛度模擬器的網(wǎng)格劃分尺寸控制在2mm，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖8所示：

圖8 網(wǎng)格劃分圖

2.2.4 施加載荷

剛度模擬器網(wǎng)格劃分之后，要對(duì)其施加載荷[10]，按照要求，施加力的大小為10kN，力的作用點(diǎn)在中心的圓孔處，由實(shí)驗(yàn)可知當(dāng)約束施加在最外側(cè)的2個(gè)面上，剛度模擬器的變形為最大，計(jì)算得出的剛度為最??；當(dāng)約束施加在最內(nèi)側(cè)的2個(gè)面上，剛度模擬器的變形最小，計(jì)算得出的剛度為最大。

2.2.5 有限元分析結(jié)果

利用ANSYS Workbench對(duì)不同厚度(h)的剛度模擬器進(jìn)行了仿真分析，分析結(jié)果如表1。圖9為模擬器厚度為15mm時(shí)最外側(cè)和最內(nèi)側(cè)作為固定點(diǎn)仿真的形變分布圖。通過(guò)剛度范圍的分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，隨著模擬器厚度增大，其整體剛度得到提升，剛度范圍區(qū)間成遞增形式(圖10)；同時(shí)，根據(jù)不同厚度的剛度模擬器仿真分析，得出其在形變量最大最小處的厚度——?jiǎng)偠惹€(圖11)。綜合考慮模擬器的厚度對(duì)其剛度影響，得出以下結(jié)論：隨著厚度的增加，其剛度在不同位置的變化區(qū)間逐漸增加，即可調(diào)剛度范圍增大，適用于剛度變化較大的情況。

圖9 形變分布圖

圖10 模擬器厚度-剛度曲線圖

圖11 不同厚度模擬器剛度max/min關(guān)系圖

3 模擬器剛度試驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)有限元分析軟件對(duì)不同厚度模擬器進(jìn)行剛度分析，得出相對(duì)準(zhǔn)確的剛度分析曲線?，F(xiàn)結(jié)合試驗(yàn)，通過(guò)拉伸機(jī)對(duì)指定厚度模擬器進(jìn)行剛度測(cè)試試驗(yàn)，對(duì)比仿真結(jié)果，確定實(shí)際應(yīng)用中不同厚度的模擬器的剛度-位置曲線。

表1 不同厚度的模擬器剛度范圍

3.1 試驗(yàn)?zāi)康呐c方案設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)主要通過(guò)對(duì)2個(gè)厚度為15mm的剛度模擬器進(jìn)行剛度測(cè)試試驗(yàn)，確定2個(gè)剛度模擬器的剛度特性。從而對(duì)比仿真結(jié)果，確定仿真與實(shí)際的誤差。首先調(diào)整設(shè)定一個(gè)剛度模擬器的剛度測(cè)試位置，按表2所示位置，分別有12個(gè)測(cè)試位置，可采用分級(jí)加載或者連續(xù)加載方式進(jìn)行加載。然后將剛度模擬器的2個(gè)工作接頭用專用夾具連接，并將夾具夾持在MTS試驗(yàn)機(jī)的上下2個(gè)夾頭上(圖12)，按1.0kN/s的加載速率進(jìn)行連續(xù)加載，加載到一定載荷時(shí)保持加載5s，然后卸載到0。在加載和卸載的同時(shí)用試驗(yàn)機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行載荷和位移的采集。當(dāng)一個(gè)剛度測(cè)試位置完成測(cè)試后，調(diào)整剛度模擬器的剛度測(cè)試位置，重復(fù)以上步驟直到完成剛度模擬器所有剛度測(cè)試位置的剛度測(cè)量。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

1)表3給出了2個(gè)試驗(yàn)件的剛度測(cè)試結(jié)果，2個(gè)試驗(yàn)件的剛度測(cè)試結(jié)果均取試驗(yàn)件加載曲線的直線段計(jì)算；

圖12 MTS試驗(yàn)機(jī)拉伸試驗(yàn)圖

表2 模擬器剛度測(cè)試位置 單位(mm)

60707580859095100105110115120

2)圖13給出了2個(gè)剛度模擬器試驗(yàn)件的剛度-位置曲線。2塊剛度模擬器的一致性表現(xiàn)較好，剛度范圍與仿真結(jié)果稍有差別，主要原因?yàn)镸TS試驗(yàn)機(jī)施加壓力時(shí)位置不夠精準(zhǔn)，以及受力不均所導(dǎo)致的最大形變量不同，導(dǎo)致剛度與仿真結(jié)果有所不同。

表3 模擬器剛度測(cè)試結(jié)果

圖13 剛度-位置曲線圖

4 結(jié)論

通過(guò)模擬飛機(jī)降落過(guò)程中執(zhí)行機(jī)構(gòu)與擾流板之間的相互作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)擾流板不同位置的剛度模擬測(cè)試。根據(jù)建立的剛度模擬器數(shù)學(xué)模型，對(duì)其進(jìn)行力學(xué)分析，通過(guò)數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)計(jì)算出相應(yīng)的剛度模擬范圍；其次，通過(guò)ANSYS有限元仿真軟件對(duì)剛度模擬器進(jìn)行建模仿真。仿真主要通過(guò)固定1個(gè)點(diǎn)，對(duì)各個(gè)測(cè)試位置進(jìn)行力的加載，運(yùn)行仿真出不同位置的形變位移，從而得出不同位置的剛度，確定模擬器的剛度范圍；通過(guò)對(duì)比分析不同厚度的模擬器的剛度范圍，可以針對(duì)可調(diào)剛度范圍選擇對(duì)應(yīng)的模擬器厚度，最后通過(guò)搭建試驗(yàn)系統(tǒng)，通過(guò)MTS試驗(yàn)機(jī)對(duì)2個(gè)剛度模擬器進(jìn)行不同測(cè)試位置的加載，驗(yàn)證仿真結(jié)果與實(shí)際應(yīng)用的差距，從而確定實(shí)際應(yīng)用中模擬器的剛度可調(diào)范圍。后期將結(jié)合牛頓迭代尋優(yōu)算法，根據(jù)需要的剛度可調(diào)范圍確定最佳的模擬器厚度。