某型飛機(jī)后減速板建模與特性分析

劉國(guó)慶, 戴文芳, 田楨熔, 張朋朋

(1.空軍航空大學(xué)航空機(jī)械工程系,吉林長(zhǎng)春 130022;2.空軍航空大學(xué)飛行訓(xùn)練基礎(chǔ)基地,吉林長(zhǎng)春 130062)

0 引 言

早期設(shè)計(jì)的飛機(jī)并沒(méi)有考慮到飛機(jī)飛行中所受到的振動(dòng)載荷的影響,到了20世紀(jì)50年代,人類(lèi)歷史上第一架?chē)姎馐铰每蜋C(jī)英國(guó)“彗星”號(hào)在飛行中接連發(fā)生爆炸墜海事故,一時(shí)引起世界震驚。經(jīng)研究是飛機(jī)氣密座艙因飛行高度變化,不斷受到增壓、減壓循環(huán)作用,導(dǎo)致機(jī)身金屬結(jié)構(gòu)出現(xiàn)疲勞效應(yīng)而斷裂破壞所引起的。由于結(jié)構(gòu)往往受到各種載荷的作用,在使用中某型飛機(jī)后減速板多次出現(xiàn)蒙皮裂紋、鈦合金梁斷裂等故障[1]。依據(jù)1998年的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,內(nèi)蒙皮裂紋一般發(fā)生在飛機(jī)服役2～12 a之間,個(gè)別飛機(jī)甚至僅飛行38 h就發(fā)現(xiàn)內(nèi)蒙皮裂紋,先后共發(fā)現(xiàn)13架次。后減速板鈦合金大梁斷裂一般發(fā)生在飛機(jī)服役3～6 a之間,平均時(shí)間為 253 h,最少累計(jì)飛行時(shí)間僅為165 h,先后共發(fā)現(xiàn)5架次。后減速板作動(dòng)筒連接耳片斷裂發(fā)生在1架次,該架飛機(jī)累計(jì)飛行282 h。某型飛機(jī)是我國(guó)自主研制的一種高空、高速戰(zhàn)斗機(jī),自研制以來(lái),已經(jīng)發(fā)展出了多個(gè)型號(hào)、不同用途的飛機(jī)。限于設(shè)計(jì)年代和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),該型飛機(jī)減速板布置時(shí),未能充分考慮前減速板打開(kāi)所產(chǎn)生的不穩(wěn)定氣流對(duì)正后方部件的激振作用,其結(jié)果是前減速板對(duì)后減速板產(chǎn)生強(qiáng)烈激振作用,導(dǎo)致后減速板頻繁出現(xiàn)結(jié)構(gòu)故障。該型飛機(jī)在空戰(zhàn)中經(jīng)常要進(jìn)行機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)彎,在高速下轉(zhuǎn)彎半徑很大,對(duì)空戰(zhàn)不利。如果飛機(jī)減速性能好,能以最短的時(shí)間減低飛行速度,并在較小的速度下轉(zhuǎn)彎,就能夠有效地?cái)[脫敵機(jī)的攻擊,并使自己占據(jù)有利位置。后減速板的斷裂會(huì)影響飛機(jī)的機(jī)動(dòng)操縱,嚴(yán)重時(shí)會(huì)危及到飛行安全,給國(guó)家?guī)?lái)巨大的財(cái)產(chǎn)損失。該型飛機(jī)是我空軍的中堅(jiān)力量,保障該型飛機(jī)的安全與可靠是打贏現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)的重要因素。通過(guò)對(duì)后減速板斷裂的研究,可以全面掌握后減速板的斷裂規(guī)律,了解后減速板發(fā)生故障的趨勢(shì),為飛機(jī)的保障提供重要的科學(xué)依據(jù),提高飛機(jī)檢查保障的效率,從而提高部隊(duì)的戰(zhàn)斗力[2-4]。

后減速板故障的頻繁發(fā)生,嚴(yán)重影響到飛機(jī)的機(jī)動(dòng)操縱,威脅到飛行安全。目前,已有許多院校、科研機(jī)構(gòu)對(duì)后減速板開(kāi)展了深入的研究。研究主要采取試驗(yàn)分析、斷口形貌分析的方法。文獻(xiàn)[5]對(duì)后減速板采取地面振動(dòng)試驗(yàn)研究方法,模擬后減速板在飛行中所受載荷情況,分別對(duì)后減速板原狀態(tài)和后減速板開(kāi)孔加型材結(jié)構(gòu),采用自由懸掛加靜載尖部激勵(lì)方式、地面固支加靜載尖部激勵(lì)方式、地面固支加靜載尖部偏心激勵(lì)方式、地面固支加靜載根部偏心激勵(lì)方式進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)。在原減速板結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中,大梁出現(xiàn)裂紋。在同樣試驗(yàn)條件下,開(kāi)口加型材減速板在預(yù)定的試驗(yàn)周期內(nèi)未發(fā)現(xiàn)裂紋。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),開(kāi)口加型材的方式能有效減少氣流對(duì)后減速板的激振作用,延長(zhǎng)后減速板的使用壽命。試驗(yàn)分析法分析結(jié)果較客觀、準(zhǔn)確,但采取試驗(yàn)分析法具有研究成本高、周期長(zhǎng)的特點(diǎn),在試驗(yàn)之前必須建立試驗(yàn)樣機(jī),如果試驗(yàn)過(guò)程中樣機(jī)出現(xiàn)故障,試驗(yàn)過(guò)程又要重新進(jìn)行,而且在有些情況下對(duì)樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)是非常危險(xiǎn)的,因此試驗(yàn)分析法具有一定的局限性。

文中以該型飛機(jī)后減速板為研究對(duì)象,應(yīng)用有限元方法建立了該型飛機(jī)后減速板的有限元模型,模擬飛機(jī)在飛行中后減速板的受力情況和約束情況,進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性分析。

1 飛機(jī)后減速板結(jié)構(gòu)及建模

1.1 后減速板結(jié)構(gòu)

后減速板是飛機(jī)上用于增加氣動(dòng)阻力以降低飛行速度的可操縱面,對(duì)稱(chēng)地布置在機(jī)身兩側(cè),不用時(shí)收入機(jī)身內(nèi),在閉合位置上緊貼飛機(jī)機(jī)體,其外表面是飛機(jī)流線型的一部分。當(dāng)需要增加阻力時(shí),由冷氣或液壓作動(dòng)筒使后減速板開(kāi)啟一定的角度,增加飛機(jī)的迎風(fēng)面積并破壞飛機(jī)氣動(dòng)外形,因而大大增加了飛行阻力,使飛機(jī)驟然減速。雖然后減速板的面積有限,在著陸滑跑中減速作用不大,但飛機(jī)飛行時(shí)卻是飛機(jī)機(jī)動(dòng)的重要操縱面。

該型飛機(jī)共有4塊減速板,其中前減速板和后減速板各2塊,主要由內(nèi)蒙皮、外蒙皮和兩根減速板梁以及連接作動(dòng)筒的固定接頭組成。后減速板的內(nèi)蒙皮由鋁合金板材制成,外蒙皮由鋁合金板材經(jīng)化銑制成,連接作動(dòng)筒的固定接頭和梁是用鈦合金模鍛件經(jīng)機(jī)械加工制成,接頭與梁的連接采用螺栓。鈦合金零件與鋁合金零件的接觸處墊一層防接觸腐蝕膠布,并采用不銹鋼鉚釘鉚接。

1.2 后減速板建模

有限元模型是進(jìn)行有限元分析的計(jì)算模型,它為有限元計(jì)算提供必需的原始數(shù)據(jù)。建立有限元模型時(shí)需要考慮的因素很多,不同問(wèn)題所考慮的側(cè)重點(diǎn)也不一樣,但不論什么問(wèn)題,建模時(shí)都要考慮到計(jì)算結(jié)果的精度。為使結(jié)構(gòu)有限元分析有足夠的精度,所建立的有限元模型必須在能量上與原連續(xù)系統(tǒng)等價(jià)。具體應(yīng)滿足下述條件或準(zhǔn)則[6-8]:

1)平衡條件。結(jié)構(gòu)的整體和任一元素在節(jié)點(diǎn)上都必須保持靜力平衡。

2)變形協(xié)調(diào)條件。交匯于一個(gè)節(jié)點(diǎn)上的各元素在外力作用下,引起元素變形后必須仍保持交匯于一個(gè)節(jié)點(diǎn),整個(gè)結(jié)構(gòu)上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)也都應(yīng)同時(shí)滿足變形協(xié)調(diào)條件。若用協(xié)調(diào)元,元素邊界上亦應(yīng)滿足相應(yīng)的位移協(xié)調(diào)條件。

3)必須滿足的邊界條件(包括整個(gè)結(jié)構(gòu)邊界條件及元素間的邊界條件)和材料的本構(gòu)關(guān)系。

4)剛度等價(jià)原則。有限元模型的抗彎、抗扭、抗拉及抗剪剛度盡可能等價(jià)。

5)認(rèn)真地選取元素,使之能較好地反映結(jié)構(gòu)構(gòu)件的傳力特點(diǎn),尤其對(duì)主要受力構(gòu)件,應(yīng)做到盡可能不失真。在元素內(nèi)部所采用的應(yīng)力和位移分布函數(shù)必須是當(dāng)元素大小遞減時(shí),有限元解趨于連續(xù)系統(tǒng)的精確解。對(duì)于非收斂元應(yīng)避免使用,對(duì)于波動(dòng)收斂元應(yīng)慎用。

6)根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、應(yīng)力分布情況、元素性質(zhì)、精度要求及計(jì)算量大小等仔細(xì)劃分計(jì)算網(wǎng)格。

7)在幾何上盡可能地逼近真實(shí)的結(jié)構(gòu)體,其中特別要注意曲線與曲面的逼近問(wèn)題。

8)仔細(xì)處理載荷模型,正確生成節(jié)點(diǎn)力,同時(shí),載荷的簡(jiǎn)化不應(yīng)跨越主要受力構(gòu)件。

9)當(dāng)量阻尼折算應(yīng)符合能量等價(jià)要求。

10)質(zhì)量的堆聚應(yīng)滿足質(zhì)量質(zhì)心、質(zhì)心矩及慣性矩等效要求。

11)超單元的劃分盡可能單級(jí)化,并使剩余結(jié)構(gòu)最小。

所建立的有限元模型如能滿足上述準(zhǔn)則,它們將能較好地應(yīng)用于工程實(shí)際結(jié)構(gòu)分析。有限元模型是有限元分析過(guò)程的關(guān)鍵,模型合理與否將直接影響分網(wǎng)過(guò)程和網(wǎng)格形成、計(jì)算結(jié)果的精度、計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)短,以及計(jì)算過(guò)程能否完成。因此,幾何建模時(shí)并不是完全照搬結(jié)構(gòu)的實(shí)際形狀,而是根據(jù)形狀和邊界條件的特點(diǎn),對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化、變化和處理,以建立能夠滿足網(wǎng)格劃分、結(jié)果計(jì)算和降低模型規(guī)模的幾何模型。建模步驟如下[9-10]:

1)建立一個(gè)用來(lái)繪制二維線框的工作平面,可以選擇工作平面或零件的適當(dāng)位置。

2)繪制并約束線框。開(kāi)始時(shí)大致繪出草圖,然后再增加幾何約束條件和尺寸等約束條件,使其符合設(shè)計(jì)意圖。

3)使用三維實(shí)體造型操作的拉伸、旋轉(zhuǎn)、抽殼、布爾運(yùn)算等創(chuàng)建零件或新特征。

重復(fù)上述過(guò)程直到完成零件設(shè)計(jì)。模型如圖1所示。

圖1 后減速板模型

網(wǎng)格剖分是有限元計(jì)算的基礎(chǔ),決定著模型能否進(jìn)行計(jì)算,正確合理的網(wǎng)格剖分至關(guān)重要。對(duì)后減速模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分,如圖2所示。

圖2 后減速板網(wǎng)格剖分

其中,網(wǎng)格剖分生成了 12492個(gè)節(jié)點(diǎn)和4630個(gè)單元。

2 飛機(jī)后減速板特性分析

2.1 靜態(tài)特性分析

后減速板為獨(dú)立的可操縱部件,所以不參加機(jī)身總體傳力,僅傳遞局部氣動(dòng)載荷,只是減速板打開(kāi)時(shí)的氣動(dòng)載荷遠(yuǎn)大于關(guān)閉狀態(tài)的載荷。氣動(dòng)載荷首先作用在減速板的外蒙皮上,然后通過(guò)兩根鈦合金大梁和作動(dòng)筒分別傳遞給機(jī)身結(jié)構(gòu)。打開(kāi)時(shí)給外蒙皮加106N/mm2的壓力,作動(dòng)筒接頭加107N的推力。打開(kāi)后給外蒙皮加106N/mm2的壓力,作動(dòng)筒接頭加約束,如圖3所示。

圖3 后減速板打開(kāi)時(shí)的載荷和約束

進(jìn)行求解得到后減速板打開(kāi)時(shí)的應(yīng)力圖如圖4所示。

圖4 后減速板打開(kāi)時(shí)的應(yīng)力圖

后減速板應(yīng)力圖中右側(cè)顏色條從下到上的顏色變化依次代表構(gòu)件局部應(yīng)力變大。從后減速板應(yīng)力圖上找到對(duì)應(yīng)的顏色區(qū)就知道該區(qū)域的應(yīng)力情況,從而可以知道哪些地方受力較嚴(yán)重,變形厲害,進(jìn)而為充分有效利用材料,設(shè)計(jì)出最合理安全可靠的結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù)。從圖4可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)后減速板打開(kāi)時(shí),后減速板鈦合金梁受力嚴(yán)重,是容易發(fā)生斷裂的區(qū)域。

2.2 動(dòng)態(tài)特性分析

由于該型飛機(jī)前減速板打開(kāi)時(shí)后減速板受到氣流的激振作用,長(zhǎng)時(shí)間的激振作用會(huì)使后減速板發(fā)生疲勞斷裂,因此,對(duì)后減速板進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性分析,掌握其固有頻率、振型等模態(tài)參數(shù)是非常必要的,對(duì)研究后減速板的斷裂起著重要作用。計(jì)算該型飛機(jī)后減速板的前三十階模態(tài),其中部分模態(tài)的固有頻率分別為:6.75×101Hz,2.11×102Hz,4.20×102Hz,4.39×102Hz,6.29×102Hz,7.35×102Hz,9.27×102Hz,9.66×102Hz,1.02×103Hz與1.94×103Hz。部分模態(tài)振型如圖5～圖9所示。

圖5 固有頻率為6.75×101Hz的模態(tài)振型

圖6 固有頻率為4.20×102Hz的模態(tài)振型

圖7 固有頻率為6.29×102Hz的模態(tài)振型

圖8 固有頻率為7.35×102Hz的模態(tài)振型

圖9 后減速板固有頻率為9.66×102Hz的模態(tài)振型

圖5～圖9中,后減速板有整體扭轉(zhuǎn)振動(dòng),并有局部彎曲變形。后減速板模態(tài)振型圖中右側(cè)顏色條從下到上的顏色變化代表構(gòu)件變形變大,振動(dòng)變強(qiáng)。從后減速板振型圖上找到對(duì)應(yīng)的顏色就知道該區(qū)域的振動(dòng)變形情況。通過(guò)與顏色條對(duì)比發(fā)現(xiàn),后減速板鈦合金梁和內(nèi)蒙皮變形大,振動(dòng)強(qiáng),是容易發(fā)生斷裂的區(qū)域。

3 結(jié) 語(yǔ)

某型飛機(jī)在飛行中當(dāng)前減速板和后減速板同時(shí)打開(kāi)時(shí),前減速板因氣流分離產(chǎn)生強(qiáng)烈不穩(wěn)定氣流,這些不穩(wěn)定氣流直接沖擊正后方處于打開(kāi)位置的后減速板,不僅對(duì)后減速板形成彎、剪作用,而且還有強(qiáng)烈的激振作用。通過(guò)模擬后減速板在飛行時(shí)所受的載荷,對(duì)后減速板進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性分析,發(fā)現(xiàn)在這些載荷下后減速板梁和內(nèi)蒙皮應(yīng)力大,振動(dòng)強(qiáng),是容易發(fā)生斷裂的區(qū)域。

在對(duì)后減速板的日常檢查中,應(yīng)特別注意梁和內(nèi)蒙皮是否有裂紋。在不影響后減速板總體功效、不影響飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性和敏捷性的條件下,應(yīng)綜合考慮后減速板自身結(jié)構(gòu)和載荷環(huán)境進(jìn)行改進(jìn)?？梢酝ㄟ^(guò)改變后減速板開(kāi)孔的形狀、位置、大小來(lái)改變氣流的激振作用,以減少氣流對(duì)后減速板的氣動(dòng)載荷;通過(guò)改變梁和內(nèi)蒙皮的尺寸、材料,使梁和內(nèi)蒙皮的強(qiáng)度和剛度符合要求。

[1]陸惠良.軍事飛行事故研究[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2003.

[2]楊為民.可靠性·維修性·保障性總論[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1995.

[3]宋太亮.裝備綜合保障實(shí)施指南[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2004.

[4]張會(huì)峰,馬龍.航空裝備技術(shù)保障[M].北京:藍(lán)天出版社,2005.

[5]孫聰,王向明.飛機(jī)構(gòu)造經(jīng)典故障分析與設(shè)計(jì)改進(jìn)[M].北京:航空工業(yè)出版社,2002.

[6]葉天麟,周天孝.航空結(jié)構(gòu)有限元分析指南[M].北京:航空工業(yè)出版社,1996.

[7]杜平安,甘娥忠,于亞婷.有限元:原理、建模及應(yīng)用[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2004.

[8]張簡(jiǎn)坤正,柯孜升,曹智雄.I-DEAS入門(mén)[M].北京:科學(xué)出版社,2001.

[9]胡宗武.結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)有限元程序設(shè)計(jì)[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,1999.

[10]薛軍,孫寶玉,辛宏偉,等.基于有限元法的齒輪齒條動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析[J].長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2008,29(3):275-278.