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        基于LMS Virtual.Lab 軟件的全機(jī)系留載荷計(jì)算

        2023-04-26 03:18:40龔思楚黎永平胡益富萬志強(qiáng)
        教練機(jī) 2023年1期
        關(guān)鍵詞:風(fēng)載鋼索慣量

        龔思楚,黎永平,胡益富,萬志強(qiáng)

        (航空工業(yè)洪都,江西 南昌,330024)

        0 引言

        全機(jī)系留載荷計(jì)算對飛機(jī)系留結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)至關(guān)重要,通過設(shè)計(jì)手段合理分配鋼索載荷,使得飛機(jī)系留結(jié)構(gòu)達(dá)到最優(yōu)化,能夠改善飛機(jī)系留受力情況及減輕系留裝置重量。

        在型號研制過程中,對飛機(jī)系留載荷計(jì)算最常用的方法是工程計(jì)算方法及靜力學(xué)仿真計(jì)算[1]。這兩種計(jì)算方法都是基于靜力學(xué)理論求解超靜定方程,全機(jī)系留方案中一般會布置12 條以上的鋼索,通過工程方法計(jì)算,方程組數(shù)目較多,求解效率低且時(shí)間長,不便于程序化計(jì)算。

        隨著商業(yè)有限元軟件的普及,通過有限元軟件建立全機(jī)系留模型進(jìn)行系留載荷計(jì)算的方式可極大提高建模效率,但局限于有限元素法的單元類型及算法,有限元模型過于理想化,未考慮飛機(jī)慣性系統(tǒng)及緩沖系統(tǒng),鋼索單元的參數(shù)設(shè)置也過于簡化,模型不確定性高,需要考慮很大的載荷不確定性系數(shù)來保證鋼索載荷的可靠性,而且模型為鋼架模型,比較抽象,可視化程度不高。 在全機(jī)系留方案設(shè)計(jì)中,除了鋼索載荷的計(jì)算,對飛機(jī)系留裝置的互換性、可達(dá)性及維修性都有要求,鋼架模型對這些設(shè)計(jì)要求是實(shí)現(xiàn)不了的。

        飛機(jī)通過系留裝置固定在地面上,但由于鋼索的約束性質(zhì)及飛機(jī)緩沖系統(tǒng)的作用,飛機(jī)在風(fēng)載的作用下是一個(gè)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)過程[2]。動(dòng)力學(xué)軟件能夠?qū)\(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,得到機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及載荷歷程,通過動(dòng)力學(xué)仿真軟件LMS Virtual.Lab 建立全機(jī)系留載荷計(jì)算模型,將飛機(jī)結(jié)構(gòu)簡化為剛性體,在飛機(jī)剛體的重心定義全機(jī)的慣性慣量系統(tǒng)??紤]飛機(jī)的起落架系統(tǒng)及輪胎系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)性能及緩沖性能,通過彈簧單元定義系留鋼索屬性,通過設(shè)計(jì)表模塊設(shè)置飛機(jī)系留載荷計(jì)算工況,排隊(duì)提交計(jì)算,通過將各工況鋼索載荷進(jìn)行對比分析,得到鋼索嚴(yán)重載荷,分析鋼索載荷影響因數(shù),優(yōu)化全機(jī)系留方案。

        1 模型介紹

        模型分為飛機(jī)結(jié)構(gòu)、起落架系統(tǒng)及鋼索單元三部分。飛機(jī)結(jié)構(gòu)部分包括飛機(jī)重量、重心及慣量;起落架系統(tǒng)包括起落架各結(jié)構(gòu)重量、重心及慣量,起落架緩沖性能及輪胎緩沖性能;鋼索單元包括彈簧長度及彈性系數(shù)。 模型如圖1 所示。

        圖1 全機(jī)系留動(dòng)力學(xué)模型

        為提高計(jì)算效率,飛機(jī)結(jié)構(gòu)定義剛體模型,在機(jī)體模型重心處定義重量及慣量參數(shù),如圖1 所示。 一般全機(jī)質(zhì)量、慣量系統(tǒng)為分布質(zhì)量形式,為簡化模型,將分布質(zhì)量等效計(jì)算到全機(jī)重心處,在Mass Properties 模型中定義全機(jī)質(zhì)量、慣量信息。 計(jì)算公式分別為:

        起落架系統(tǒng)模型包括前起落架及左、右主起落架,在起落架各部件重心處定義結(jié)構(gòu)重量及慣量模擬起落架慣性系統(tǒng),在緩沖器處定義彈簧阻尼系統(tǒng)模擬起落架緩沖器作用,定義輪胎緩沖系統(tǒng)及輪胎類型模擬輪胎與地面作用。

        緩沖器為起落架系統(tǒng)提供緩沖載荷,而且具有強(qiáng)非線性特點(diǎn),LMS Virtual.Lab 軟件采用彈簧力模塊TSDA,將緩沖器設(shè)計(jì)公式輸入到緩沖力TSDA 模型中,其中,空氣彈簧力的計(jì)算公式為:

        油液阻尼力的計(jì)算公式為:

        LMS Virtual.Lab 軟件中包含若干種輪胎模型用于仿真不同輪胎道路情況??紤]輪胎模擬的計(jì)算要求,采用complex-tire 輪胎模型,該種輪胎模型可以有效考慮復(fù)雜的輪胎特性,輪胎仿真精度高。輪胎主要參數(shù)包括輪胎半徑、滾轉(zhuǎn)阻力、滾轉(zhuǎn)半徑、轉(zhuǎn)向剛度、側(cè)向剛度、垂向剛度、回正力臂和松弛長度等。

        轉(zhuǎn)向剛度根據(jù)公式求解:

        側(cè)向剛度根據(jù)公式求解:

        起落架動(dòng)力學(xué)模型需與工程方法計(jì)算的起落架緩沖性能結(jié)果進(jìn)行對比分析,以驗(yàn)證軟件建立的起落架模型的有效性。將前、主起落架動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行落震分析,將關(guān)鍵結(jié)果與工程方法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比,如緩沖行程,輪胎垂向載荷等,如圖2、圖3 所示。結(jié)果顯示,前、主起落架動(dòng)力學(xué)模型緩沖性能與工程計(jì)算結(jié)果基本一致,誤差小,所以基于LMS Virtual.Lab軟件建立的起落架動(dòng)力學(xué)模型可用于全機(jī)系留載荷計(jì)算。

        圖3 主起落架緩沖行程及輪胎垂向載荷

        2 全機(jī)系留方案設(shè)計(jì)

        全機(jī)系留方案設(shè)計(jì)的一般過程是,按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)條款要求,初步確定一個(gè)系留方案,提交載荷計(jì)算部門進(jìn)行建模計(jì)算,得到系留載荷。

        將飛機(jī)外形導(dǎo)入模型中,與起落架系統(tǒng)進(jìn)行裝配,形成一個(gè)完整的虛擬樣機(jī)。根據(jù)全機(jī)系留方案布置系留鋼索,使得虛擬樣機(jī)滿足維護(hù)性、可達(dá)性及系留裝置布置要求,如圖4 所示。

        圖4 飛機(jī)長期系留初步方案

        在軟件中通過彈簧力單元TSDA 定義地面系留樁與系留裝置之間的連接,由于缺少實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),無法確定鋼索材料彈性系數(shù),根據(jù)力學(xué)公式ΔL= NL/EF,可以推導(dǎo)得到材料彈性系數(shù)公式為N/ΔL= EF/L,其中N 為鋼索受拉伸載荷,E 為材料彈性模量,L 為鋼索長度,F(xiàn) 為鋼索截面面積,ΔL 為鋼索伸長量。 根據(jù)彈性系數(shù)計(jì)算公式計(jì)算每根鋼索彈性系數(shù)從而定義TSDA 單元。

        3 全機(jī)系留方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

        對全機(jī)系留動(dòng)力學(xué)模型施加3 種風(fēng)載情況進(jìn)行計(jì)算,風(fēng)載情況分別為正前方來風(fēng),側(cè)風(fēng)和機(jī)翼不對稱,風(fēng)速考慮中等氣象,三種風(fēng)載情況下各鋼索載荷時(shí)間歷程如圖5~圖7 所示。

        圖5 正前方來風(fēng)情況下各鋼索載荷

        圖6 側(cè)風(fēng)情況下各鋼索載荷

        圖7 機(jī)翼不對稱情況下各鋼索載荷

        由圖5~圖7 可知,鋼索載荷可分為三個(gè)階段,在5s 前,載荷為 0N,在 5s 時(shí)刻有一個(gè)突峰,在 5s 后,各載荷處于一個(gè)震蕩過程,載荷逐漸收斂到一個(gè)穩(wěn)定值。第一階段定義模型在0 到5s 的時(shí)間段內(nèi)自由落震,只承受1g 重力。第二階段在飛機(jī)完全停穩(wěn)后,施加停機(jī)風(fēng)載及系留鋼索約束,由于鋼索定義為彈簧單元,而且起落架系統(tǒng)在風(fēng)載作用下也處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài),飛機(jī)系留狀態(tài)并不是完全的靜力狀態(tài)。第三階段隨著風(fēng)載與系留載荷逐漸接近平衡狀態(tài)及阻尼系統(tǒng)的能量耗散作用,各系留鋼索載荷逐漸趨于定值。 圖中可知部分鋼索載荷一直為0N,說明部分鋼索彈簧單元處于非緊繃狀態(tài),不產(chǎn)生約束力,與彈簧單元設(shè)置要求一致。

        根據(jù)模型在停機(jī)姿態(tài)下起落架的緩沖行程及輪胎壓縮量,通過約束設(shè)置將起落架由自然伸展?fàn)顟B(tài)直接限制在停機(jī)狀態(tài),省略了自由落震過程,即保證了飛機(jī)的停機(jī)姿態(tài)及起落架的緩沖性能,保證了計(jì)算精度,又加快了計(jì)算速度。

        三種風(fēng)載情況下各鋼索載荷如表1 所示,部分鋼索載荷不滿足小于6kN 的要求,而且只有少數(shù)幾根鋼索載荷很高。部分鋼索載荷小,鋼索效率低,這是因?yàn)轱w機(jī)受風(fēng)載時(shí),合力方向與某些鋼索受拉方向一致,導(dǎo)致這個(gè)方向的鋼索集中受載。所以,在系留方案設(shè)計(jì)過程中要避免鋼索布置方向沿著飛機(jī)所受載荷的合力方向,應(yīng)該將鋼索與飛機(jī)載荷合力錯(cuò)開布置,避免少數(shù)鋼索集中受載。

        表1 風(fēng)載情況下鋼索載荷

        根據(jù)鋼索的受力原理、飛機(jī)結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)及布置空間,可以規(guī)劃鋼索承受的主要載荷。 比如在正面來風(fēng)情況下,飛機(jī)主要承受升力,而起落架垂直方向剛度好,側(cè)向剛度弱,可以在起落架附近布置鋼索,鋼索與地面的夾角大,這部分鋼索主要承受飛機(jī)升力載荷;而機(jī)翼的側(cè)向剛度好,垂直剛度弱,在機(jī)翼布置鋼索,鋼索與地面的夾角小,使得鋼索主要承受側(cè)向風(fēng)載,如此達(dá)到合理分配系留載荷,使得飛機(jī)結(jié)構(gòu)受載最優(yōu)化。

        通過對全機(jī)系留鋼索載荷的計(jì)算與分析,對全機(jī)系留方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),調(diào)整鋼索布置方向及增加鋼索數(shù)量,全機(jī)系留最終方案如圖8 所示。

        圖8 飛機(jī)長期系留方案

        4 結(jié)語

        通過動(dòng)力學(xué)分析軟件LMS Virtual.Lab 建立的全機(jī)系留載荷計(jì)算模型能夠有效地對系留鋼索載荷進(jìn)行仿真計(jì)算。 模型考慮全機(jī)質(zhì)量慣量系統(tǒng)、起落架緩沖系統(tǒng)及輪胎與地面的接觸效應(yīng),最大程度接近飛機(jī)實(shí)際系留環(huán)境,計(jì)算速率快,計(jì)算精度高,模型可視化程度高;滿足飛機(jī)系留的維護(hù)性和可達(dá)性及細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)要求,能夠?qū)︼w機(jī)的系留方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),滿足飛機(jī)結(jié)構(gòu)對系留載荷的設(shè)計(jì)要求,縮短了型號研制周期。

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