郁明輝 李 鵬 劉肖肖

南京航空航天大學，南京 211106

民航客機在到達目的機場時，要進行穩(wěn)定的著陸過程。一般來說，飛機的著陸過程常常包括5個階段：下滑、拉平、平飛、飄落和滑跑。飛機在即將抵達機場平穩(wěn)下滑時，在距離地面6～12m時，會增大迎角，進入拉平階段。在平飛時，隨著速度減小以及迎角的不斷增大，飛機不斷減速；當迎角增大到極限位置，飛機進入飄落階段。當飛機落地，進入地面滑行階段后，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。

作為飛機的減速輔助系統(tǒng)裝置—飛機擾流板[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抵達地面進行滑跑時啟用，一方面可以消除飛機機翼的升力，另一方面可以增大阻力，從而提高剎車效率，輔助剎車裝置實現(xiàn)飛機的短距離平穩(wěn)停下。飛行擾流板作用更為豐富，它在飛機飛行過程中可以配合副翼進行橫側(cè)操控，在飛機降落滑跑中配合剎車裝置達到減速作用。

為了對飛機地面擾流板的剛度特性進行相關(guān)研究分析，設(shè)計一款擾流板模擬器對其進行剛度仿真和試驗分析。

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

飛機在降落過程中，擾流板打開，與其相連的執(zhí)行機構(gòu)在空氣阻力條件下對擾流板呈現(xiàn)拉伸狀態(tài)，達到減速效果。為了模擬該減速過程中執(zhí)行機構(gòu)與擾流板之間的拉力-位置測試，設(shè)計出如下結(jié)構(gòu)的模擬器：通過對模擬器施加拉壓力，實現(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，通過改變彈簧板支撐位置調(diào)節(jié)彈簧板的剛度系數(shù)，達到實現(xiàn)一定范圍的剛度線性變化的效果。結(jié)構(gòu)簡圖如圖3。

圖3 模擬器結(jié)構(gòu)簡圖

1.1 數(shù)學模型

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

圖4 雙支點間支梁

圖5 彈性板的變截面形狀

1.2 計算公式

因為是變截梁，所以采用能量法進行計算[3]：

1.3 計算結(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c=297.5mm；彈簧板開槽寬度d=20mm；彈簧板厚度h=15mm。由此可以計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出的模擬器剛度范圍，對不同厚度的模擬器進行剛度仿真分析，結(jié)合試驗，驗證最佳剛度范圍。

2.1 有限元軟件簡介

ANSYS是一款大型通用有限元分析軟件，可以對結(jié)構(gòu)、流體、聲場、電磁場和熱場進行仿真分析，廣泛應(yīng)用于土木、機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軟件對剛度模擬器進行剛度分析，主要經(jīng)過以下5個步驟[5]：

1)前處理；

2)建立有限元分析模型；

3)對有限元模型進行網(wǎng)格劃分；

4)對有限元模型施加載荷；

5)對有限元模型進行求解和后處理。

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，其余材料特性會隨之自動生成。

2.2.2 模型建立

在ANSYS有限元分析軟件數(shù)據(jù)庫中有150多種不同單元類型可供選擇[6]。三維實體單元主要用于需要進行材料選擇、載荷施加等分析的結(jié)構(gòu)仿真，這是區(qū)別于其他簡單單元的重要特點[7]。本次對模擬器仿真建模采用三維實體單元進行分析，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會發(fā)生彎曲變形，可用ANSYS Workbench[8]仿真分析這一形變在不同位置的變化。首先進行草圖繪制，在草圖繪制界面按照尺寸在X-Y平面進行繪制，先繪制剛度模擬器的輪廓，然后繪制剛度模擬器中的圓孔，最后對草圖進行約束，約束完全草圖變成藍色(圖6)。繪制完成后沿Z方向進行拉伸可得到三維實體剛度模擬器(圖7)。剛度模擬器的剛度測試位置發(fā)生變化，則模擬器的剛度會隨之變化。

圖6 約束草圖

圖7 三維實體剛度模擬器

2.2.3 網(wǎng)格劃分

在對有限元模型進行網(wǎng)格劃分時，需要對網(wǎng)格劃分的尺寸進行合理確定，因為劃分的尺寸大小對計算結(jié)果的精確度有著直接且重要的影響。一般來說，當網(wǎng)格劃分精密度增加，計算結(jié)果的精確度也會隨之增加，但同時也增加了仿真計算的時間[9]。根據(jù)計算結(jié)果所需的精確度以及仿真計算的求解時間，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，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，要對其施加載荷[10]，按照要求，施加力的大小為10kN，力的作用點在中心的圓孔處，由實驗可知當約束施加在最外側(cè)的2個面上，剛度模擬器的變形為最大，計算得出的剛度為最小；當約束施加在最內(nèi)側(cè)的2個面上，剛度模擬器的變形最小，計算得出的剛度為最大。

2.2.5 有限元分析結(jié)果

利用ANSYS Workbench對不同厚度(h)的剛度模擬器進行了仿真分析，分析結(jié)果如表1。圖9為模擬器厚度為15mm時最外側(cè)和最內(nèi)側(cè)作為固定點仿真的形變分布圖。通過剛度范圍的分析結(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，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——剛度曲線(圖11)。綜合考慮模擬器的厚度對其剛度影響，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 模擬器剛度試驗驗證

通過有限元分析軟件對不同厚度模擬器進行剛度分析，得出相對準確的剛度分析曲線?，F(xiàn)結(jié)合試驗，通過拉伸機對指定厚度模擬器進行剛度測試試驗，對比仿真結(jié)果，確定實際應(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?zāi)康呐c方案設(shè)計

本試驗主要通過對2個厚度為15mm的剛度模擬器進行剛度測試試驗，確定2個剛度模擬器的剛度特性。從而對比仿真結(jié)果，確定仿真與實際的誤差。首先調(diào)整設(shè)定一個剛度模擬器的剛度測試位置，按表2所示位置，分別有12個測試位置，可采用分級加載或者連續(xù)加載方式進行加載。然后將剛度模擬器的2個工作接頭用專用夾具連接，并將夾具夾持在MTS試驗機的上下2個夾頭上(圖12)，按1.0kN/s的加載速率進行連續(xù)加載，加載到一定載荷時保持加載5s，然后卸載到0。在加載和卸載的同時用試驗機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行載荷和位移的采集。當一個剛度測試位置完成測試后，調(diào)整剛度模擬器的剛度測試位置，重復(fù)以上步驟直到完成剛度模擬器所有剛度測試位置的剛度測量。

3.2 試驗結(jié)果分析

1)表3給出了2個試驗件的剛度測試結(jié)果，2個試驗件的剛度測試結(jié)果均取試驗件加載曲線的直線段計算；

圖12 MTS試驗機拉伸試驗圖

表2 模擬器剛度測試位置 單位(mm)

60707580859095100105110115120

2)圖13給出了2個剛度模擬器試驗件的剛度-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，主要原因為MTS試驗機施加壓力時位置不夠精準，以及受力不均所導致的最大形變量不同，導致剛度與仿真結(jié)果有所不同。

表3 模擬器剛度測試結(jié)果

圖13 剛度-位置曲線圖

4 結(jié)論

通過模擬飛機降落過程中執(zhí)行機構(gòu)與擾流板之間的相互作用，實現(xiàn)對擾流板不同位置的剛度模擬測試。根據(jù)建立的剛度模擬器數(shù)學模型，對其進行力學分析，通過數(shù)學公式推導計算出相應(yīng)的剛度模擬范圍；其次，通過ANSYS有限元仿真軟件對剛度模擬器進行建模仿真。仿真主要通過固定1個點，對各個測試位置進行力的加載，運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；通過對比分析不同厚度的模擬器的剛度范圍，可以針對可調(diào)剛度范圍選擇對應(yīng)的模擬器厚度，最后通過搭建試驗系統(tǒng)，通過MTS試驗機對2個剛度模擬器進行不同測試位置的加載，驗證仿真結(jié)果與實際應(yīng)用的差距，從而確定實際應(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。