民用飛機(jī)縫翼密封件擠壓和摩擦載荷仿真分析與試驗(yàn)驗(yàn)證

（上海飛機(jī)設(shè)計研究院，上海 201210）

0 引言

現(xiàn)代民用飛機(jī)設(shè)計過程中，襟縫翼增升系統(tǒng)在顯著增大起降階段機(jī)翼升力的同時還需保證巡航階段干凈機(jī)翼翼型的高氣動效率。為保證縫翼收起后機(jī)翼氣動性能，縫翼與機(jī)翼固定前緣之間的縫道通常設(shè)置橡膠密封件進(jìn)行密封。該設(shè)計會導(dǎo)致在縫翼收上卡位小角度偏轉(zhuǎn)過程中，密封件和縫翼/機(jī)翼固定前緣在接觸界面上產(chǎn)生擠壓和摩擦，產(chǎn)生額外操縱阻力，加重操縱系統(tǒng)受載。同時，由于結(jié)冰、外物污染等因素的影響，會進(jìn)一步加大受載。這部分載荷可統(tǒng)稱為“縫翼密封件增量載荷”。

國外民機(jī)數(shù)據(jù)顯示該載荷可占到整個縫翼操縱載荷的30%～50%，顯著影響整個操縱系統(tǒng)驅(qū)動能力需求和縫翼作動器等操縱執(zhí)行設(shè)備的尺寸、重量和性能設(shè)計等。目前國內(nèi)尚未開展“縫翼密封件增量載荷”的相關(guān)研究，公開途徑也沒有可供參考的國外相關(guān)資料。

在進(jìn)行縫翼密封件增量載荷仿真計算主要存在兩個難點(diǎn)：密封件、縫翼內(nèi)翼面/機(jī)翼固定前緣均為復(fù)雜曲面，且相對運(yùn)動規(guī)律復(fù)雜，接觸區(qū)域難以確定；橡膠密封件為超彈性材料，變形、接觸區(qū)域、摩擦等均為非線性，使問題的收斂性變得更加困難。此外，目前通用的橡膠材料性能數(shù)據(jù)難以支持精確計算。本文基于某型民用飛機(jī)縫翼密封件增量載荷測量試驗(yàn)，應(yīng)用ABAQUS分析軟件，建立縫翼密封件與縫翼內(nèi)翼面/機(jī)翼固定前緣仿真分析模型，計算縫翼密封件增量載荷。

1 試驗(yàn)設(shè)置

為得到密封件的材料性能數(shù)據(jù)，研究密封件的變形，以及和縫翼內(nèi)翼面/機(jī)翼固定前緣的接觸規(guī)律，并支持后續(xù)仿真模型修正與驗(yàn)證，試驗(yàn)包括下面兩個子試驗(yàn)項目：

1）密封件壓縮回彈性能和摩擦性能試驗(yàn)，研究橡膠密封件在各種溫/濕度下的力學(xué)行為和性能，建立橡膠密封件材料性能數(shù)據(jù)庫。

2）縫翼密封件增量載荷測量試驗(yàn)，研究密封件對縫翼密封件增量載荷影響，通過模擬真實(shí)飛機(jī)的縫翼操縱運(yùn)動，測量密封件在各種環(huán)境因素下引起的縫翼增量載荷大小，用以分析模型的修正和驗(yàn)證。

1.1 密封件壓縮回彈性能和摩擦性能試驗(yàn)

試驗(yàn)在橡膠密封件力學(xué)性能測試試驗(yàn)臺進(jìn)行，密封件被安裝在帶滾輪的平臺上，試驗(yàn)中通過加載板對密封件進(jìn)行水平和垂直兩個方向的加載，通過垂直加載板上方的力傳感器測量密封件正壓力，通過水平加載板右側(cè)的力傳感器測量摩擦力。除力傳感器外，整個測試系統(tǒng)均被置于溫濕度環(huán)境箱內(nèi)。

具體試驗(yàn)項目包括：測量密封件在不同環(huán)境溫度下壓縮載荷-位移曲線、密封件-鋁板動摩擦性能測試、密封件-復(fù)材板動摩擦性能測試。

1.2 縫翼密封件增量載荷測量試驗(yàn)

試驗(yàn)對密封件和翼面進(jìn)行適當(dāng)簡化處理，密封件分為沿著翼展方向布置的展向密封件和沿著機(jī)翼弦長方向布置的弦向密封件。

試驗(yàn)在專門設(shè)計的密封件擠壓和摩擦扭矩測量試驗(yàn)臺[1]進(jìn)行，試驗(yàn)臺設(shè)計如圖1所示。為能夠真實(shí)模擬縫翼運(yùn)動，采用齒輪齒條組件驅(qū)動縫翼樣件運(yùn)動：將機(jī)翼固定前緣樣件安裝在底座上，縫翼樣件與齒條固連，通過控制系統(tǒng)控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動，帶動齒輪轉(zhuǎn)動，驅(qū)動齒條運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)縫翼樣件的旋轉(zhuǎn)。齒輪與電機(jī)之間的傳動軸上安裝有扭矩傳感器，可以實(shí)時測量并記錄縫翼樣件運(yùn)動過程中的驅(qū)動扭矩。

圖1 縫翼密封件增量載荷測量試驗(yàn)示意圖

2 仿真分析

2.1 縫翼密封件本構(gòu)建模

密封件主要由橡膠構(gòu)成，橡膠的本構(gòu)模型一般以連續(xù)介質(zhì)力學(xué)為假設(shè)，采用唯象理論揭示橡膠的應(yīng)力應(yīng)變行為。基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)中各向同性和無初應(yīng)力假設(shè),橡膠的應(yīng)變能函數(shù)W可以表示為應(yīng)變張量不變量的函數(shù)。根據(jù)應(yīng)變能函數(shù)W不同，目前比較有代表性的模型有：Mooney-Rivlin模型[2]，Ogden模型[3]、Yeoh模型[4]、Neo-Hookean模型[5]等。

結(jié)合密封件的變形規(guī)律和試驗(yàn)設(shè)置，本文采用Neo-Hookean模型描述密封件的力學(xué)性能。該模型的穩(wěn)定性較好，且一種變形方式下的應(yīng)力應(yīng)變曲線擬合的材料常數(shù)能用來預(yù)測其他變形方式的應(yīng)力應(yīng)變曲線[6]。

在平板壓縮作用下，密封件網(wǎng)格和計算結(jié)果如圖2所示，其載荷位移曲線與實(shí)驗(yàn)對比如圖3所示。可見，數(shù)值計算結(jié)果能夠與試驗(yàn)結(jié)果較好地吻合，Neo-Hookean模型能夠較好的描述密封件力學(xué)性能。

圖2 密封件平板壓縮仿真計算結(jié)果圖

圖3 密封件載荷-位移曲線試驗(yàn)與計算對比

2.2 縫翼密封件增量載荷仿真分析

由于密封件剛度相對于縫翼和機(jī)翼前緣蒙皮剛度很小，故采用離散剛體曲線來表示縫翼內(nèi)翼面曲線和機(jī)翼固定前緣外表面曲線，即認(rèn)為密封件被擠壓和摩擦過程中，蒙皮不發(fā)生變形，而密封件發(fā)生變形。

密封件有限元模型分別如圖4和圖5所示，密封件尾部與縫翼內(nèi)翼面通過tie單元連接來模擬實(shí)際密封件的裝夾。密封件與縫翼、機(jī)翼前緣的其他可能的接觸區(qū)域，均設(shè)置了接觸條件：無侵徹、摩擦系數(shù)參照試驗(yàn)測量結(jié)果選取。

圖4 展向密封件有限元模型

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圖5 弦向密封件有限元模型

通過仿真計算得到的縫翼密封件增量載荷與試驗(yàn)結(jié)果吻合的較好，結(jié)果對比如圖6所示。說明本文的仿真方法可比較準(zhǔn)確的得到密封件增量載荷。

3 結(jié)論

本文在橡膠密封件的材料性能研發(fā)試驗(yàn)和密封件扭矩載荷測試試驗(yàn)項目基礎(chǔ)上，建立密封件與縫翼內(nèi)翼面/機(jī)翼固定前緣接觸仿真分析模型，能夠描述橡膠密封件復(fù)雜的接觸現(xiàn)象，較準(zhǔn)確的計算縫翼密封件增量載荷。

按本文所述方法計算的縫翼密封件增量載荷與國外相似機(jī)型相比趨勢相同，數(shù)值相近，提升了對民用飛機(jī)縫翼操縱載荷的預(yù)測水平，降低飛機(jī)縫翼操縱系統(tǒng)設(shè)計風(fēng)險，有效的縮小與國際先進(jìn)水平的差距。

圖6 密封件增量載荷計算與試驗(yàn)結(jié)果對比

[1]楊萬里,丁玉波,章仕彪,等.一種民用飛機(jī)縫翼密封條扭矩載荷測試裝置:中國, ZW15030091[P].2015.9.24.

[2]Rivlin R S.The elasticity of rubber[J].Rubber ChemistryAnd Technology,1992,65(3):51-67.

[3]Ogden RW, Roxburgh DG.A pseudo-elastic model for theMullins effect in filled rubber[J].Proc R Soc Lond Ser A,1999,455:2861-2877.

[4]Yeoh OH. On the Ogden strain energy function[J].RubberChemistry and Technology,1997,70(2):175-182.

[5]MetcalfeR,Baset SB, Lesco R, et al. Modeling of space shuttlesolid rocket O-rings[A].12th International Conference on FluidSealing. Brighton,UK[C],1989.3-25

[6]李曉芳,楊曉翔.橡膠材料的超彈性本構(gòu)模型[J].彈性體,2005,15(1):50-58.