結構動力學在飛機設計中的應用技術研究

中航飛機研發中心結構所 崔青青 張 蕓 金功耀 秦存峰

結構動力學在飛機設計中的應用技術研究

中航飛機研發中心結構所 崔青青 張 蕓 金功耀 秦存峰

飛機結構在應用過程中，由于頻繁受到不同類型的動荷載作用，導致結構出現動強度損壞。雖然近些年飛機性能在逐步提高，但是各沖擊作用類型和振動激勵卻愈演愈烈，給飛機飛行安全帶來嚴重的威脅。文章就以在飛機設計中遇到的一些結構動強度方面的問題著手，利用相關的動力學理論、有限元分析法以及地面共振試驗，提出解決對策，以期能夠為飛機設計做出一點貢獻。

結構動力學；飛機設計；應用技術

飛機結構在應用過程中,由于頻繁受到不同類型的動荷載作用,導致結構出現動強度損壞。雖然近些年飛機性能在逐步提高,但是各沖擊作用類型和振動激勵卻愈演愈烈,給飛機飛行安全帶來嚴重的威脅。此外,這些因素造成的危害不但和飛行環境、飛機運動狀態有一定的關系,而且和飛機結構的動態特性也存在較大的聯系。所以,給予飛機結構動強度高度重視是十分有必要的。

1 帶外掛著陸動力響應分析技術

在飛機結構設計中,應用帶外掛著陸動力響應分析能夠保證飛機飛行的安全性。由于機翼外掛中心和掛點間的距離過大,進而給飛機著陸留下安全隱患,所以探討著陸響應問題是十分有必要的。

1.1 主要技術分析

第一,結合地面共振試驗得出的結果,對機翼與外掛間連接的剛度系數進行修正;第二,設計有限元模型時,需要探究起落架緩沖器的非線性特性,并對其進行模擬;第三,利用模態法結合MSC/NASTRAN軟件進行求解;第四,采用虛擬支持技術,同時結合大質量法,不但能夠施加基礎激烈運動,而且還可以使自由體狀態的飛機消除剛體運動帶來的影響。

圖1 機翼掛位掛點處動力響應時間歷程曲線

1.2 結果分析和結論總結

在該分析模型中,飛機變成了一個包含外掛物的多自由度彈性體系,而且起落架緩沖期自身包含的非線性特性需要應用大質量法與模態法,進而能夠全面分析自由狀態下的飛機帶外掛著陸動力響應。其中機翼掛點位置加速度響應曲線可以參見圖1。通過分析模型得出的結果可以知道,全機帶外掛著陸安全性較強,進而解決了多年來的工程應用難題。

2 飛機機背油箱隨機振動分析技術

作為金屬薄壁結構,機背油箱主要是用來貯存燃油,進而提高飛機的生存力。機背油箱是參照氣動外形來設計的,不但需要承受重復的沖壓載荷,滿足靜強度的各項要求,而且在機動飛行狀態下還必須承受惡劣環境帶來的影響。所以為了以防油箱出現泄漏的現象,保證飛行安全,需要隨機展開振動響應分析,挖掘出機背油箱動強度薄弱環節,進而使油箱動力學品質得到大幅度提升。

2.1 主要技術分析

第一,通過分析、整理、歸納機背油箱飛行任務剖面的實測數據,獲得隨機的振動載荷譜;第二,利用MSC/NASTRAN軟件,對機身結構與油箱底部接頭位置的強迫運動進行模擬,其中機背油箱有限元模型具體可以參見圖2;第三,針對機背油箱的流-固耦合問題,可以應用虛擬質量法來解決。

圖2 機背油箱有限元模型

2.2 結果分析與結論總結

第一,通過分析可以得到油箱結構在載油和無油狀態下,其應力響應功率譜密度曲線和對應的實際均方根值,進而發現油箱應力嚴重部位,即圖2中B與C間油箱底部位置;第二,分析結果基本上和試驗所得結果相吻合,證明該模型可行性較高,為油箱設計的改進體統理論依據;第三,為求解金屬油箱流-固耦合隨機振動響應提供實用技術。

3 舵面FES試驗動力學仿真

先進復合材料的優點較多,具體包含：比剛度高、比強度高、重量輕、設計性強等,因此在飛機結構設計中被廣泛應用,特別是廣泛應用于副翼、方向舵等一級舵面部件。而且伺服作動器尺寸小、重量輕、抗負載剛性大、反應快,在現代飛機主動控制技術中發揮著重要的作用。通過先進材料、先進控制技術和新型結構形式共同構成的系統,能夠在一定程度上改變舵面扭轉、彎曲的比例和耦合關系,進一步提升飛機控制系統的控制性、穩定性和靈活性,為飛機的安全飛行提供保障。該研究項目首先從地面FES試驗著手,用動力學數值仿真分析復合材料蜂窩夾層舵面的FES激勵,必須要充分了解該舵面的振動特性,仔細挖掘對舵面振動響應影響最大的因素,從而對舵面機上FES試驗做出一些建設性的指導,實現有效控制舵面振動的目標。

3.1 主要技術分析

第一,把伺服作動器轉化成二階線性系統,再利用該系統進行函數傳遞,算出輸出響應,將其當作載荷激勵仿真分析的條件;第二,通過地面共振試驗得出相應的數據,利用該數據修正舵面支持剛度;第三,利用MSC/ NASTRAN軟件,結合大質量法,對舵面FES試驗進行動力學仿真分析。其中,舵面有限元模型具體可以參見圖3。

圖3 舵面有限元模型

3.2 結果分析與結論總結

第一,在充分了解舵面結構的基礎之上,對其應力響應功率譜密度曲線圖進行分析,確定對該動力響應影響最大的因素,最終發現舵面旋轉頻率是最敏感的因素;第二,利用仿真分析確定的結果和FES試驗得出的結果基本一致,響應峰值分布趨勢也沒有區別,由此表明該計算模型的可行性較強;第三,利用伺服作動器的頻響規律確定舵面偏度和FES激勵頻率的范圍,從而對舵面振動進行抑制。

4 未來發展的方向

隨著科學技術的日新月異,飛機結構強度分析與試驗技術也在日趨完善,結構動力學開始廣泛應用于飛機設計領域,同時各項技術水平也得到了突飛猛進的發展。比如,在飛機動態試驗仿真分析技術、復雜結構動力學分析、大型結構振動試驗設計技術、復合材料結構動力學研究、機載設備力學環境條件的設計與應用、飛機聲疲勞壽命、噪聲預計等方面都取得了一定的成績。但是結構動力學目前還處于發展階段,并不完善,所以飛機在結構動力學設計方面仍然存在較多的問題,需要研究人員進一步探討。比如,邊界條件的模擬仍然存在較大的難度,不能準確地分析大型復雜結構的動力響應;振源過于復雜,不能準確地描述出各種荷載;不能對復雜結構的阻尼性進行確定。當前,振動疲勞壽命預計法、結構振動疲勞破壞機理、動強度判據與準則等,己經成為未來飛機動力學技術發展過程中亟待解決的問題。

其中,在飛機結構動強度技術領域,一些具有創新性的應用技術也開始應運而生：第一,在現代設計技術中,結構動力學技術所占的比重逐步增加,最終形成了現代受動力荷載結構動力學技術;第二,結構動力學技術合適和現代控制技術交融在一起,形成了結構主動控制技術和自適應控制技術;第三,結構動力學技術逐步與疲勞技術互相滲透,產生結構動態斷裂和振動疲勞技術。各項新技術的發展在一定程度上擴展和豐富了結構動力學理論,在飛機結構設計中科學利用這些技術與理論,有效解決各種結構動力學問題,是飛機科研人員不斷努力的方向。

綜上所述,隨著社會的進步、現代科學技術的不斷發展,各項新技術的不斷誕生,結構動力學也在不斷的改進、完善和進步,我們應相信,在飛機科研人員的努力下,通過不斷的探索和研究,結構動力學將會更加完美的運用在飛機的設計中。

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