大型民機(jī)襟翼間交聯(lián)系統(tǒng)設(shè)計方法研究

周曉宸, 羅宇波, 薛璞, 陸建國

1.西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院, 陜西 西安 710072;2.陜西省沖擊動力學(xué)與工程應(yīng)用重點實驗室, 陜西 西安 710072; 3.上海飛機(jī)設(shè)計研究院, 上海 201210

襟翼系統(tǒng)能顯著增大飛機(jī)起降階段機(jī)翼最大升力,提高飛機(jī)起降性能,還有利于提高巡航階段機(jī)翼翼型的氣動效率,目前已成為大型民機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置。通常,大型民機(jī)的每側(cè)機(jī)翼上均設(shè)置有多個襟翼,這些襟翼由獨立的襟翼驅(qū)動單元同步驅(qū)動[1-4]。

襟翼系統(tǒng)提高了大型民機(jī)的飛行效率,但是它的故障也會嚴(yán)重影響飛機(jī)的飛行安全。為了提高系統(tǒng)的安全性和可靠性,針對襟翼系統(tǒng)故障的研究非常重要[5]。根據(jù)文獻(xiàn)[6]對襟翼故障的說明,“有幾種故障情形較易發(fā)生且必須被考慮:襟翼在飛機(jī)飛行時發(fā)生的結(jié)構(gòu)失效;飛機(jī)在巡航階段襟翼非正常放出以及飛機(jī)在起飛和降落時襟翼的收放故障。同時,襟翼系統(tǒng)最易出故障的地方是襟翼支撐結(jié)構(gòu)和驅(qū)動單元?！睘榱嗽诮笠碇谓Y(jié)構(gòu)或襟翼驅(qū)動單元發(fā)生故障的情況下保證飛機(jī)的飛行安全性,在相鄰的襟翼之間安裝保護(hù)機(jī)構(gòu),稱作襟翼間交聯(lián)系統(tǒng)(ICS)。當(dāng)襟翼系統(tǒng)發(fā)生故障如某一驅(qū)動單元脫開時,其他驅(qū)動單元及襟翼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)受到?jīng)_擊,威脅襟翼系統(tǒng)安全。在這種情況下,ICS能為襟翼系統(tǒng)提供新的傳力路徑,降低襟翼系統(tǒng)的強(qiáng)度風(fēng)險,避免損害襟翼機(jī)構(gòu)。在我國大飛機(jī)快速發(fā)展的背景下,非常有必要開展相關(guān)的ICS研究,從而為我國大型民機(jī)襟翼系統(tǒng)的設(shè)計提供技術(shù)支持,同時ICS設(shè)計也是我國飛機(jī)設(shè)計領(lǐng)域急需解決的一個研究重點和難點。本文對ICS的設(shè)計方法開展研究,提出ICS的設(shè)計參數(shù),明確ICS對吸能元件的吸能特性要求,并評價ICS對襟翼系統(tǒng)的故障抑制。

1 襟翼間交聯(lián)系統(tǒng)基本構(gòu)型與工作原理

ICS是一種在襟翼故障時,減小襟翼故障載荷維持襟翼功能的冗余設(shè)計。作為冗余設(shè)計,在襟翼系統(tǒng)正常工作過程中,ICS應(yīng)避免對襟翼系統(tǒng)產(chǎn)生影響;而一旦襟翼故障發(fā)生后,ICS應(yīng)起到2種作用,一是在內(nèi)外襟翼之間增加傳力路徑,限制故障工況下內(nèi)外襟翼的相對運動,保持內(nèi)外襟翼運動的同步性;二是通過ICS內(nèi)部的吸能裝置吸收襟翼系統(tǒng)中的沖擊能量,減小襟翼系統(tǒng)中的故障載荷,確保襟翼系統(tǒng)安全性和可靠性。多年以來,國內(nèi)外的研究人員提出了多種ICS設(shè)計以實現(xiàn)ICS的主要功能?？梢詫⑦@些ICS主要分為連桿型、套簡型、杵架型3類。

1.1 連桿型ICS

連桿型ICS[7-8]通常以連桿和鉸鏈組成,通過鉸鏈的旋轉(zhuǎn)避免對襟翼系統(tǒng)正常運動產(chǎn)生影響。連桿型ICS結(jié)構(gòu)簡單,僅能實現(xiàn)增加傳力路徑的功能,不能吸收襟翼系統(tǒng)故障工況下沖擊能量。此型屬于ICS的早期設(shè)計,如圖1所示。

圖1 內(nèi)外襟翼交聯(lián)機(jī)構(gòu)[7]

1.2 套筒型ICS

套筒型ICS[9-11]的典型結(jié)構(gòu)由內(nèi)外套筒組成,內(nèi)外套筒間保留自由行程,避免影響襟翼系統(tǒng)正常運動。當(dāng)內(nèi)外襟翼運動不同步過大時,內(nèi)外套筒相互卡死,以限制故障進(jìn)一步發(fā)生,并提供新的傳力路徑。同時,內(nèi)外套筒之間往往還設(shè)立了吸能元件,在故障發(fā)生時,起吸收沖擊能量、降低故障載荷的作用,如圖2所示。

圖2 有阻尼件的襟翼連接裝置[11]

1.3 桁架型ICS

桁架型ICS[12]由幾組連桿和鉸鏈組成,通過對多組連桿系統(tǒng)的合理設(shè)計,實現(xiàn)對大型民機(jī)襟翼系統(tǒng)適配。2009年,美國專利局公開的專利介紹了一種應(yīng)用于大型民機(jī)的襟翼間交聯(lián)系統(tǒng),如圖3所示。

在國內(nèi)研究者方面,中國商飛[13]于2017年公布的一種套筒型的內(nèi)外襟翼交聯(lián)裝置,如圖4所示。該裝置由同軸的活塞桿(1)和活塞筒(2)組合而成,當(dāng)某一襟翼發(fā)生故障時,內(nèi)筒之間產(chǎn)生相對運動,外套筒內(nèi)側(cè)的擠壓面和內(nèi)套筒外側(cè)的擠壓面互相擠壓產(chǎn)生軸向力,以實現(xiàn)運動緩沖,同時擠壓面之間的鋸齒抱緊,可以實現(xiàn)逆向鎖死功能。

圖3 應(yīng)用于大型民機(jī)的襟翼間交聯(lián)系統(tǒng)[12]

圖4 內(nèi)外襟翼交聯(lián)裝置[13]

此外黃勇等[14]還對某型飛機(jī)襟翼系統(tǒng)脫開故障工況下,有交聯(lián)機(jī)構(gòu)的襟翼系統(tǒng)故障載荷進(jìn)行了分析。但是并未對交聯(lián)機(jī)構(gòu)作用效果的影響因素作進(jìn)一步分析。

2 襟翼間交聯(lián)系統(tǒng)的設(shè)計與襟翼故障工況的仿真分析

2.1 襟翼間交聯(lián)系統(tǒng)的設(shè)計方法

本研究建立了襟翼系統(tǒng)的剛?cè)狁詈隙囿w動力學(xué)模型,其中襟翼、滑軌、驅(qū)動桿、搖臂等部件設(shè)為柔性體,而滑車被設(shè)為剛體,如圖5所示。在多體動力學(xué)商用軟件Adams中,對襟翼系統(tǒng)模型進(jìn)行剛?cè)狁詈隙囿w動力學(xué)分析。

圖5 襟翼系統(tǒng)多體動力學(xué)模型

通過襟翼系統(tǒng)正常工況下的剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)分析,得到內(nèi)外襟翼由于運動機(jī)構(gòu)差異和氣動載荷作用導(dǎo)致的ICS安裝點距離發(fā)生變化,如圖6所示,說明內(nèi)外襟翼并非完全同步運動，并可確定ICS的臨界位移。

圖6 ICS安裝點距離變化

ICS中吸能元件的平均壓潰載荷是ICS的另一個主要設(shè)計參數(shù)。如果平均壓潰載荷過低,會導(dǎo)致ICS吸能行程過大;而平均壓潰載荷過高,則可能無法觸發(fā)ICS中的吸能元件,達(dá)不到ICS的設(shè)計目的。

交聯(lián)系統(tǒng)中的吸能元件特性曲線如圖7所示。當(dāng)ICS位移量到達(dá)臨界位移后,吸能元件開始工作,并維持平均壓潰載荷。

圖7 吸能元件特性曲線

通過模擬襟翼系統(tǒng)單驅(qū)動故障工況 并基于建立的襟翼系統(tǒng)多體動力學(xué)模型進(jìn)行故障工況仿真,得到在單驅(qū)動脫開故障的工況下襟翼系統(tǒng)的故障響應(yīng)。表1中是在不同平均壓潰載荷下,襟翼故障工況中ICS的壓縮行程、吸收的能量以及交聯(lián)系統(tǒng)驅(qū)動單元扭矩之間的比值。可以看出隨著ICS平均壓潰載荷的提高,ICS的壓縮行程和吸收的能量均逐漸降低,而驅(qū)動單元扭矩則變化不大。

在85戶調(diào)查者中，有高中以上學(xué)歷的人員占26.2%，其余為初中及以下學(xué)歷。經(jīng)營面積在1.33 hm2以上的竹農(nóng)均為臨安農(nóng)民技術(shù)帶頭人，還有一位獲得了省級農(nóng)技大師的稱號。由此說明，只有提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營者的科技知識、管理能力等素質(zhì)，農(nóng)業(yè)規(guī)模經(jīng)營的效益才能得到保證。

表1 不同平均壓潰載荷下ICS的壓縮行程、吸收的能量及驅(qū)動單元的扭矩比值

2.2 襟翼間交聯(lián)系統(tǒng)的設(shè)計

通過2.1節(jié)中ICS的設(shè)計方法,設(shè)計的ICS結(jié)構(gòu)如圖8所示。該ICS為套筒型,主要由ICS的內(nèi)套筒、外套筒和吸能元件構(gòu)成。

圖8 ICS動力學(xué)模型

本文ICS中的吸能元件為膨脹管,通過摩擦和材料的塑性變形來耗散能量,其工作原理如圖9所示,其實物的變形如圖10所示。

圖9 膨脹管工作原理示意圖 圖10 膨脹管變形實物圖

根據(jù)Liu和Qiu提出的2段式弧形模型[15],膨脹管的平均壓潰載荷可以表示為

(2+μ·cotα)

(1)

r2=r0+t0(1-cosα)+

(2)

式中:F和Y分別為膨脹管壓縮載荷和膨脹管材料屈服應(yīng)力;r0和r2分別為膨脹管初始半徑和管件膨脹后的半徑;t0為膨脹管初始壁厚;α為錐形沖頭倒角;μ為沖頭和管件間的動摩擦因數(shù)。

膨脹管的材料選用鋁合金7050,采用雙線性本構(gòu)模型，其材料參數(shù)見表2。

表2 AL7050材料參數(shù)

使用商用有限元軟件Abaqus,對ICS模型進(jìn)行沖擊動力學(xué)仿真,得到ICS在沖擊工況下的載荷位移曲線圖,如圖11所示。由于吸能元件的剛度與強(qiáng)度都遠(yuǎn)小于ICS中的其他部件,ICS的載荷位移特性主要由其吸能元件決定。

圖11 ICS的載荷位移曲線

2.3 襟翼系統(tǒng)故障工況下的仿真分析

將上述ICS應(yīng)用于襟翼系統(tǒng)模型,聯(lián)合前處理商用軟件Hypermesh和多體動力學(xué)分析商用軟件Adams,對襟翼系統(tǒng)單驅(qū)動脫開故障進(jìn)行仿真。

圖12中展示了在襟翼系統(tǒng)故障工況下,ICS安裝前后ICS安裝點距離變化的對比,以及單驅(qū)動脫開后另一驅(qū)動單元上驅(qū)動載荷的對比。在圖12a)中,L1和L2分別為安裝ICS前后ICS安裝點間距離最大值?？梢娫诎惭bICS后,ICS安裝點間距離最大值減小了66.2%。說明ICS能夠抑制內(nèi)外襟翼之間運動的不一致性。在圖12b)中,M1和M2分別為安裝ICS前后襟翼系統(tǒng)驅(qū)動單元的驅(qū)動載荷峰值?？梢?在安裝ICS后,襟翼系統(tǒng)驅(qū)動載荷峰值減少45.3%。說明ICS起到了吸收沖擊能量、降低故障載荷的作用。

圖12 襟翼有無安裝ICS的響應(yīng)對比圖

襟翼系統(tǒng)在單驅(qū)動脫開故障工況下, ICS安裝前后各部件的最大應(yīng)力變化如表3所示。

表3 襟翼系統(tǒng)各部件安裝ICS前后最大應(yīng)力對比

對于與外襟翼相關(guān)的部件如外襟翼和3,4號驅(qū)動單元,ICS的安裝可以大大降低其最大應(yīng)力水平;而對于與內(nèi)襟翼相關(guān)部件如內(nèi)襟翼和1,2號驅(qū)動單元,ICS的安裝則增加了其最大應(yīng)力水平,但在襟翼單驅(qū)動脫開故障中,由于內(nèi)襟翼上應(yīng)力水平相比外襟翼較低,其應(yīng)力水平仍在允許的范圍內(nèi)。在安裝ICS后,在襟翼單驅(qū)動脫開故障中,整個襟翼系統(tǒng)中的整體應(yīng)力水平降低。

綜上所述,襟翼系統(tǒng)故障發(fā)生后,在安裝ICS的工況下,內(nèi)外襟翼之間的相對運動減小,故障襟翼的峰值載荷降低,同時襟翼系統(tǒng)中的整體應(yīng)力水平降低,避免了襟翼系統(tǒng)在故障后的沖擊中進(jìn)一步損壞。

3 結(jié) 論

為了提升大型民機(jī)襟翼系統(tǒng)的安全性和可靠性,本研究建立了一種ICS設(shè)計方法,并提出了一種ICS的設(shè)計方案,通過分析有、無ICS下襟翼系統(tǒng)的故障響應(yīng),表明ICS可使襟翼系統(tǒng)故障驅(qū)動載荷降低45.3%,內(nèi)外襟翼間ICS安裝點相對運動最大值減小66.2%,襟翼系統(tǒng)應(yīng)力水平降低,驗證了ICS設(shè)計的有效性。