胡海波，孟妍，楊昆

1.中航通飛研究院有限公司，廣東 珠海 519040

2.哈爾濱工程大學 航天與建筑工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001

隨著我國經(jīng)濟和科學技術(shù)的快速發(fā)展，我國在航空領(lǐng)域取得了非常大的進步。某輕型水陸兩棲飛機作為我國首架擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的輕型水陸兩棲飛機，設(shè)計和制造符合中國民航CCAR-23-R3[1]規(guī)章要求。該飛機填補了我國在23 部輕型水陸兩棲通用飛機研制和生產(chǎn)上的空白。

相比于在陸地上降落，飛機在水上降落存在更多的不確定性因素，如水的流速及水面各種無法預知的情況，這都加大了飛機在水上降落的難度。并且飛機在水上降落缺少了起落架的緩沖作用，這使得飛機在著水瞬間所受到的沖擊載荷會成倍增加，很容易使機身結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴重變形，造成難以預計的后果，甚至會危害到駕駛員的生命安全。因此，對于在水上降落時飛機整體機身結(jié)構(gòu)強度的校核是非常有必要的。

2010 年，范瑞敏[2]基于Tsai-Hill 強度理論和MSC.Patran&Nastran 有限元軟件分析某輕型飛機結(jié)構(gòu)的強度，結(jié)果表明機身各個部件有足夠的剩余強度，符合安全要求。2010 年，劉向堯等[3]基于Nastran 軟件對某兩棲飛機進行了全機著陸性能仿真分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并對優(yōu)化結(jié)構(gòu)進行了有限元仿真分析，對兩棲飛機的設(shè)計給與了一定的參考價值。2014 年，Lin等[4]基于現(xiàn)有的強度理論和設(shè)計準則對復合材料結(jié)構(gòu)進行了可行性分析，并且進一步研究了環(huán)境變化對復合材料結(jié)構(gòu)靜強度的影響。2013 年，羅琳胤等[5]基于LSDYNA 有限元仿真平臺，采用基于任意拉格朗日-歐拉（arbitrary Lagrangian-Eulerian,ALE）耦合方法研究了著水攻角、下沉速度和升力對飛機著水的影響，分析結(jié)論對水陸兩棲飛機的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了一定的參考。2015 年，姚小虎等[6]基于耦合的歐拉-拉格朗日（coupled Eulerian-Lagrangian,CEL）算法研究了水陸兩棲飛機入水瞬間的結(jié)構(gòu)運動響應，探究了不同入水角度和速度對結(jié)構(gòu)強度的影響。2019 年，孫豐等[7]通過單機身模型著水試驗與有限元仿真相結(jié)合的方法，研究了著水姿態(tài)對大型水陸兩棲飛機著水性能的影響，結(jié)果表明加速度會隨著初始姿態(tài)角的增大出現(xiàn)明顯的變化。2020 年，Wang等[8]基于水陸兩棲飛機動力學和運動學特性，并結(jié)合高速滑行水動力學理論，建立了水陸兩棲飛機水上起飛水動力計算模型，與飛行試驗實測數(shù)據(jù)對比驗證了所提方法的正確性。2021 年，盧昱錦等[9]基于非定常雷諾平均N-S 方程和標準的k-ω方程研究了初始姿態(tài)角、下降速度和前飛速度對著水性能的影響。2021 年，王崢華等[10]基于多體動力學和水面滑行水動力學方法及Simulink 環(huán)境進行了水陸兩棲飛機在水面和地面上起降的飛行仿真，仿真結(jié)果與實驗試飛結(jié)果吻合較好，達到了設(shè)計的精度要求。2020 年，Hu等[11]基于有限體積法和嵌套網(wǎng)格技術(shù)研究了水陸兩棲飛機著陸載荷特性，得到的結(jié)果與模型試驗基本一致，驗證了嵌套網(wǎng)格技術(shù)在水陸兩棲飛機著陸載荷設(shè)計的可行性。2022 年，羅文莉等[12]基于（computational fluid dynamics,CFD）方法、流體體積（volume of fluid,VOF）模型、雷諾平均NS 方程和動網(wǎng)格方法對飛機水上迫降進行了仿真分析，很好地模擬了飛機水上迫降的運動和受力。2020 年，呂繼航等[13]利用數(shù)值仿真分析了水陸兩棲飛機在起飛、著陸和遭遇突風情況下的力學響應，對機身局部區(qū)域的結(jié)構(gòu)強度進行了補充設(shè)計與校核。

綜上所述，國內(nèi)外研究人員分別從飛機著水姿態(tài)和結(jié)構(gòu)強度這2 個單獨的角度對飛機進行了研究分析，沒有考慮水陸兩棲飛機在著水這個復雜的環(huán)境情況下的整體機身強度情況?；诖饲闆r，本文主要分析了某型水陸兩棲飛機在不同著水工況下的機身整體結(jié)構(gòu)強度問題，具有重要的工程實際意義，對本型號飛機的安全性有較大的作用。

本文主要采用在三維建模軟件CATIA 中建立某型水陸兩棲飛機模型，在HYPERMESH 有限元軟件中完成飛機模型的幾何清理、網(wǎng)格劃分、材料屬性匹配及加載得到有限元計算文件，采用NASTRAN 2017 求解器進行計算求解。

1 幾何模型的建立

1.1 坐標系的確立

1）全局坐標系：全局坐標系是飛機的基本坐標系，用于基準面位置定義、結(jié)構(gòu)內(nèi)部載荷計算、結(jié)構(gòu)有限元建模和強度分析以及局部坐標系的定義等。

2）氣動坐標系：氣動坐標系主要用于飛行載荷的計算，其原點O位于飛機的重心，縱軸X平行于機身軸線指向后方，橫軸Y垂直于飛機對稱平面指向右方（即垂直于紙面向里），豎軸Z根據(jù)右手法則確定，垂直于XOY平面指向上方，如圖1所示。

圖1 氣動坐標系示意

3）部件、局部坐標系：部件（如機身、機翼等）坐標系用于該部件的設(shè)計和分析，其原點位置應基于全局坐標系定義；局部坐標系是用于定義結(jié)構(gòu)的材料方向、載荷方向等的坐標系，目的是便于局部校核及計算，可根據(jù)實際情況定義。

1.2 幾何模型的建立

某型水陸兩棲飛機幾何模型建立基于CATIA軟件數(shù)值模型，飛機基本結(jié)構(gòu)尺寸和性能數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 某型水陸兩棲飛機基本結(jié)構(gòu)尺寸和性能數(shù)據(jù)

某型水陸兩棲飛機機身整體結(jié)構(gòu)幾何模型包括蒙皮、長桁、各框段內(nèi)腹板、立柱、舭桁、龍骨梁以及主梁等。通常將降落時與水面接觸的部分稱為船底，飛機主體部分稱為機身。機身共有31 個框段（前機身：1-4 框；中機身：5-15 框；后機身：16-31 框），每個框段由腹板、門框及立柱構(gòu)成，其中加強框7 個，3 個半強框，其余為普通框；貫穿機身的縱向件有舭桁和龍骨梁，局部有加強長桁、船底長桁和側(cè)長桁等。機身整體結(jié)構(gòu)模型如圖2 所示。

圖2 某型水陸兩棲飛機整體結(jié)構(gòu)示意

2 有限元仿真計算

2.1 有限元模型

某型水陸兩棲飛機有限元模型是將CATIA幾何模型導入HYPERMESH 軟件中進行抽取中面、幾何清理、消除硬點以及網(wǎng)格劃分。

抽取中面的主要目的是獲取可以代表實體幾何的無厚度中面，方便后期劃分2D 網(wǎng)格。幾何清理主要包括移除對分析結(jié)果影響較小的曲線和圓角特征，包括半徑5 mm 以內(nèi)的圓角和腹板上半徑10 mm 以內(nèi)的圓孔等。在劃分網(wǎng)格時，軟件會自動在幾何特征點上布撒節(jié)點，導致網(wǎng)格劃分不合理，因此需將這些額外的硬點消除，以達到更好的網(wǎng)格劃分結(jié)果[14]。

機身整體有限元模型采用2D 單元模擬，單元尺寸5 mm，單元全部選取QUAD4 單元，避免使用TRIA3 單元，并且盡可能地保證單元的細長比小于5，最大不能超過10。某輕型水陸兩棲飛機機身有限元模型的節(jié)點個數(shù)為1 955 607 個，網(wǎng)格數(shù)為2 075 956 個，有限元網(wǎng)格劃分模型如圖3 所示。

圖3 機身整體有限元模型示意

2.2 材料及屬性

有限元材料選取各向同性的MAT1 金屬卡片。單元屬性采用PCOMP 卡片，并采取自動匹配幾何模型中的板件厚度，當自動匹配失效時，改為手動匹配。

某型水陸兩棲飛機機身結(jié)構(gòu)主要用到2A12板材和2A12 擠壓型材，機身蒙皮、框段、龍骨梁、長桁和前后段主梁的材料均為2A12 板材，其基本材料參數(shù)見表2；而中段主梁和后梁材料為2A12擠壓型材，其基本材料參數(shù)見表3。

表3 2A12 擠壓型材材料基本參數(shù)

2.3 載荷計算及施加

某型水陸兩棲飛機在水上著陸時，主要承受氣動載荷和著水載荷。在著水時，作用在船底的水動載荷主要由船底蒙皮、龍骨梁及框段承受；機身尾翼載荷主要傳遞給29 框和30 框；發(fā)動機載荷分別傳遞到機身18 框和20 框，側(cè)向載荷由框緣承受，縱向載荷通過機身頂部主梁傳遞，豎直方向載荷由18、20 框上的框型材承受。

某型水陸兩棲飛機的氣動載荷主要分布在機身、機翼和尾翼等部件和結(jié)構(gòu)上，各個部件和結(jié)構(gòu)上的氣動載荷的分布及大小是由全機整體的氣動力力矩平衡條件所決定的，它們的總和等于飛機的重力，合力作用在飛機的重心處。

某型水陸兩棲飛機的著水載荷主要作用在飛機船身對稱面上，其載荷大小為

式中：FLW為對稱面上的著水載荷，WLW為設(shè)計著水重力，nLW為著水過載。

對于船艏著水工況，載荷作用在斷階至斷階向前的80%的前體長度范圍內(nèi)，龍骨梁與舭梁在對稱面投影的中線上，并垂直與該中線的切線；對于船艉著水工況，載荷作用在斷階至斷階向后的85%的后體長度范圍內(nèi)，龍骨梁與舭梁在對稱面投影的中線上，并垂直龍骨梁。

其中著水過載大小為

式中：VLW為著水速度，VLW=0.95，其中：CL為著水迎角的升力系數(shù)，ρ 為大氣密度，SW為機翼面積，系數(shù)0.95 是考慮了飛機觸水前的飄飛影響；C1為著水過載的經(jīng)驗系數(shù)（內(nèi)海為0.071 3、外海為0.090 3）；β為著水過載縱向位置的斜升角；K1為著水過載沿船身縱向分布的經(jīng)驗系數(shù)分布，如圖4 所示。圖4中LF和LT分別表示水上飛機船身前體和后體的長度，rx為飛機重心到著水過載計算點的水平距離與水上飛機俯仰慣性半徑的比值。

圖4 著水過載沿船身縱向分布的經(jīng)驗系數(shù)分布

此次分析的載荷工況選取為對稱船艏著水工況和對稱船艉著水工況，其飛機機身載荷分配及加載位置如表4 所示。

表4 飛機機身載荷分配及加載位置

3 計算結(jié)果與分析

將某型水陸兩棲飛機機身分為前機身、中機身、后機身三艙段進行靜強度分析，對比對稱船艏著水和對稱船艉著水2 種工況下的整體位移，并對蒙皮、框段和縱向件進行應力分析，計算各結(jié)構(gòu)件的裕度值。計算時，安全系數(shù)取1.5。為保證飛機結(jié)構(gòu)強度性能滿足要求，各結(jié)構(gòu)件的裕度值均要求大于零。

機身蒙皮和各個構(gòu)件強度裕度值計算公式為[15]

式中：σb為材料的強度極 限，σ為結(jié)構(gòu)的Von Mises 應力值，f1為安全系數(shù)。

3.1 前機身艙段靜強度結(jié)果分析

對比2 種工況下的計算結(jié)果可得：對稱船艉著水工況下，前機身整體合位移較大，最大合位移為12.76 mm，最大位移位置位于1 框框腹板處，位移云圖如圖5 所示；在對稱船艏著水工況下，機身整體蒙皮最大Von Mises 應力為172.36 MPa，材料的強度極限為390 MPa，計算得到安全裕度為1.2，最大應力位于前機身下蒙皮，機身蒙皮Von Mises 應力云圖如圖6 所示。

圖5 前機身整體位移云圖

圖6 前機身蒙皮應力云圖

前機身所有框段和長桁的最大Von Mises 應力和安全裕度值如表5 所示，均滿足靜強度要求。其中前機身3 框和機身側(cè)長桁的裕度最小，Von Mises 應力云圖分別如圖7 和圖8 所示。

表5 前機身結(jié)構(gòu)安全裕度校核表

圖7 框段3 應力云圖

圖8 長桁應力云圖

3.2 中機身艙段靜強度結(jié)果分析

對比2 種工況下的計算結(jié)果可得：對稱船艉著水工況下中機身整體合位移較大，最大合位移為13.18 mm，最大位移位置位于前艙門門框處，位移云圖如圖9 所示；在對稱船艏著水工況下，中機身蒙皮最大Von Mises 應力為291.31 MPa，許用應力為390 MPa，計算得到安全裕度為0.34，最大應力位于中機身側(cè)蒙皮艙門附近，中機身蒙皮Von Mises 應力云圖如圖10 所示。

圖9 中機身整體位移云圖

圖10 中機身蒙皮應力云圖

中機身所有框段和龍骨梁的最大Von Mises應力和安全裕度值如表6 所示，均滿足靜強度要求。其中前機身15 框和中段船底龍骨梁的安全裕度最小，Von Mises 應力云圖分別如圖11 和圖12所示。

圖11 框段15 應力云圖

圖12 龍骨梁應力云圖

表6 中機身結(jié)構(gòu)安全裕度校核表

3.3 后機身艙段靜強度結(jié)果分析

對比2 種工況下有限元計模型計算結(jié)果可得：對稱船艏著水工況下，后機身整體合位移較大，最大合位移為15.17 mm，最大位移位置位于20 框上框處，位移云圖如圖13 所示；在對稱船艉著水工況下，機身蒙皮最大Von Mises 應力為315.47 MPa，許用拉伸應力為390 MPa，計算得到安全裕度為0.24，最大應力位于與右側(cè)機翼連接處的蒙皮，機身蒙皮Von Mises 應力云圖如圖14 所示。

圖13 后機身整體位移云圖

圖14 后機身蒙皮應力云圖

后機身所有框段和龍骨梁的最大Von Mises應力和安全裕度值如表7 所示，均滿足靜強度要求。其中后機身18 框和舭桁的安全裕度最小，Von Mises 應力云圖分別如圖15 和圖16 所示。

表7 后機身結(jié)構(gòu)安全裕度校核表

圖15 框段18 應力云圖

圖16 舭桁應力云圖

4 結(jié)論

本文基于某輕型水陸兩棲飛機機身結(jié)構(gòu)，對對稱船艏著水和對稱船艉著水2 種不同載荷情況下的靜強度問題進行仿真分析。分析結(jié)果表明：

1）機身整體最大位移出現(xiàn)在對稱船艏著水工況，位于20 框上框處，最大值為15.17 mm。

2）后機身蒙皮最大的Von Mises 應力為315.47 MPa，計算所得安全裕度為0.24，安全裕度值大于零，蒙皮符合靜強度要求。

3）對機身各個框段和縱向件結(jié)構(gòu)進行了強度校核，其機身側(cè)長桁在對稱船艏著水時的最大Von Mises 應力為174.98 MPa，計算所得安全裕度為0.5，安全裕度值大于零，機身結(jié)構(gòu)符合靜強度要求。

本文綜合機身整體位移和蒙皮及機身各個結(jié)構(gòu)的靜強度校核，所得安全裕度值均大于零。校核結(jié)果顯示機身各結(jié)構(gòu)件均滿足靜強度要求，保證了飛機在水上降落時的安全性和可靠性。