某型飞机后减速板建模与特性分析

刘国庆, 戴文芳, 田桢熔, 张朋朋

(1.空军航空大学航空机械工程系,吉林长春 130022;2.空军航空大学飞行训练基础基地,吉林长春 130062)

0 引 言

早期设计的飞机并没有考虑到飞机飞行中所受到的振动载荷的影响,到了20世纪50年代,人类历史上第一架喷气式旅客机英国“彗星”号在飞行中接连发生爆炸坠海事故,一时引起世界震惊。经研究是飞机气密座舱因飞行高度变化,不断受到增压、减压循环作用,导致机身金属结构出现疲劳效应而断裂破坏所引起的。由于结构往往受到各种载荷的作用,在使用中某型飞机后减速板多次出现蒙皮裂纹、钛合金梁断裂等故障[1]。依据1998年的统计结果,内蒙皮裂纹一般发生在飞机服役2～12 a之间,个别飞机甚至仅飞行38 h就发现内蒙皮裂纹,先后共发现13架次。后减速板钛合金大梁断裂一般发生在飞机服役3～6 a之间,平均时间为 253 h,最少累计飞行时间仅为165 h,先后共发现5架次。后减速板作动筒连接耳片断裂发生在1架次,该架飞机累计飞行282 h。某型飞机是我国自主研制的一种高空、高速战斗机,自研制以来,已经发展出了多个型号、不同用途的飞机。限于设计年代和设计经验,该型飞机减速板布置时,未能充分考虑前减速板打开所产生的不稳定气流对正后方部件的激振作用,其结果是前减速板对后减速板产生强烈激振作用,导致后减速板频繁出现结构故障。该型飞机在空战中经常要进行机动转弯,在高速下转弯半径很大,对空战不利。如果飞机减速性能好,能以最短的时间减低飞行速度,并在较小的速度下转弯,就能够有效地摆脱敌机的攻击,并使自己占据有利位置。后减速板的断裂会影响飞机的机动操纵,严重时会危及到飞行安全,给国家带来巨大的财产损失。该型飞机是我空军的中坚力量,保障该型飞机的安全与可靠是打赢现代化战争的重要因素。通过对后减速板断裂的研究,可以全面掌握后减速板的断裂规律,了解后减速板发生故障的趋势,为飞机的保障提供重要的科学依据,提高飞机检查保障的效率,从而提高部队的战斗力[2-4]。

后减速板故障的频繁发生,严重影响到飞机的机动操纵,威胁到飞行安全。目前,已有许多院校、科研机构对后减速板开展了深入的研究。研究主要采取试验分析、断口形貌分析的方法。文献[5]对后减速板采取地面振动试验研究方法,模拟后减速板在飞行中所受载荷情况,分别对后减速板原状态和后减速板开孔加型材结构,采用自由悬挂加静载尖部激励方式、地面固支加静载尖部激励方式、地面固支加静载尖部偏心激励方式、地面固支加静载根部偏心激励方式进行振动试验。在原减速板结构进行振动试验过程中,大梁出现裂纹。在同样试验条件下,开口加型材减速板在预定的试验周期内未发现裂纹。试验发现,开口加型材的方式能有效减少气流对后减速板的激振作用,延长后减速板的使用寿命。试验分析法分析结果较客观、准确,但采取试验分析法具有研究成本高、周期长的特点,在试验之前必须建立试验样机,如果试验过程中样机出现故障,试验过程又要重新进行,而且在有些情况下对样机进行试验是非常危险的,因此试验分析法具有一定的局限性。

文中以该型飞机后减速板为研究对象,应用有限元方法建立了该型飞机后减速板的有限元模型,模拟飞机在飞行中后减速板的受力情况和约束情况,进行静态和动态特性分析。

1 飞机后减速板结构及建模

1.1 后减速板结构

后减速板是飞机上用于增加气动阻力以降低飞行速度的可操纵面,对称地布置在机身两侧,不用时收入机身内,在闭合位置上紧贴飞机机体,其外表面是飞机流线型的一部分。当需要增加阻力时,由冷气或液压作动筒使后减速板开启一定的角度,增加飞机的迎风面积并破坏飞机气动外形,因而大大增加了飞行阻力,使飞机骤然减速。虽然后减速板的面积有限,在着陆滑跑中减速作用不大,但飞机飞行时却是飞机机动的重要操纵面。

该型飞机共有4块减速板,其中前减速板和后减速板各2块,主要由内蒙皮、外蒙皮和两根减速板梁以及连接作动筒的固定接头组成。后减速板的内蒙皮由铝合金板材制成,外蒙皮由铝合金板材经化铣制成,连接作动筒的固定接头和梁是用钛合金模锻件经机械加工制成,接头与梁的连接采用螺栓。钛合金零件与铝合金零件的接触处垫一层防接触腐蚀胶布,并采用不锈钢铆钉铆接。

1.2 后减速板建模

有限元模型是进行有限元分析的计算模型,它为有限元计算提供必需的原始数据。建立有限元模型时需要考虑的因素很多,不同问题所考虑的侧重点也不一样,但不论什么问题,建模时都要考虑到计算结果的精度。为使结构有限元分析有足够的精度,所建立的有限元模型必须在能量上与原连续系统等价。具体应满足下述条件或准则[6-8]:

1)平衡条件。结构的整体和任一元素在节点上都必须保持静力平衡。

2)变形协调条件。交汇于一个节点上的各元素在外力作用下,引起元素变形后必须仍保持交汇于一个节点,整个结构上的各个节点也都应同时满足变形协调条件。若用协调元,元素边界上亦应满足相应的位移协调条件。

3)必须满足的边界条件(包括整个结构边界条件及元素间的边界条件)和材料的本构关系。

4)刚度等价原则。有限元模型的抗弯、抗扭、抗拉及抗剪刚度尽可能等价。

5)认真地选取元素,使之能较好地反映结构构件的传力特点,尤其对主要受力构件,应做到尽可能不失真。在元素内部所采用的应力和位移分布函数必须是当元素大小递减时,有限元解趋于连续系统的精确解。对于非收敛元应避免使用,对于波动收敛元应慎用。

6)根据结构特点、应力分布情况、元素性质、精度要求及计算量大小等仔细划分计算网格。

7)在几何上尽可能地逼近真实的结构体,其中特别要注意曲线与曲面的逼近问题。

8)仔细处理载荷模型,正确生成节点力,同时,载荷的简化不应跨越主要受力构件。

9)当量阻尼折算应符合能量等价要求。

10)质量的堆聚应满足质量质心、质心矩及惯性矩等效要求。

11)超单元的划分尽可能单级化,并使剩余结构最小。

所建立的有限元模型如能满足上述准则,它们将能较好地应用于工程实际结构分析。有限元模型是有限元分析过程的关键,模型合理与否将直接影响分网过程和网格形成、计算结果的精度、计算时间长短,以及计算过程能否完成。因此,几何建模时并不是完全照搬结构的实际形状,而是根据形状和边界条件的特点,对结构进行必要的简化、变化和处理,以建立能够满足网格划分、结果计算和降低模型规模的几何模型。建模步骤如下[9-10]:

1)建立一个用来绘制二维线框的工作平面,可以选择工作平面或零件的适当位置。

2)绘制并约束线框。开始时大致绘出草图,然后再增加几何约束条件和尺寸等约束条件,使其符合设计意图。

3)使用三维实体造型操作的拉伸、旋转、抽壳、布尔运算等创建零件或新特征。

重复上述过程直到完成零件设计。模型如图1所示。

图1 后减速板模型

网格剖分是有限元计算的基础,决定着模型能否进行计算,正确合理的网格剖分至关重要。对后减速模型进行网格剖分,如图2所示。

图2 后减速板网格剖分

其中,网格剖分生成了 12492个节点和4630个单元。

2 飞机后减速板特性分析

2.1 静态特性分析

后减速板为独立的可操纵部件,所以不参加机身总体传力,仅传递局部气动载荷,只是减速板打开时的气动载荷远大于关闭状态的载荷。气动载荷首先作用在减速板的外蒙皮上,然后通过两根钛合金大梁和作动筒分别传递给机身结构。打开时给外蒙皮加106N/mm2的压力,作动筒接头加107N的推力。打开后给外蒙皮加106N/mm2的压力,作动筒接头加约束,如图3所示。

图3 后减速板打开时的载荷和约束

进行求解得到后减速板打开时的应力图如图4所示。

图4 后减速板打开时的应力图

后减速板应力图中右侧颜色条从下到上的颜色变化依次代表构件局部应力变大。从后减速板应力图上找到对应的颜色区就知道该区域的应力情况,从而可以知道哪些地方受力较严重,变形厉害,进而为充分有效利用材料,设计出最合理安全可靠的结构提供理论依据。从图4可以发现,当后减速板打开时,后减速板钛合金梁受力严重,是容易发生断裂的区域。

2.2 动态特性分析

由于该型飞机前减速板打开时后减速板受到气流的激振作用,长时间的激振作用会使后减速板发生疲劳断裂,因此,对后减速板进行动态特性分析,掌握其固有频率、振型等模态参数是非常必要的,对研究后减速板的断裂起着重要作用。计算该型飞机后减速板的前三十阶模态,其中部分模态的固有频率分别为: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与1.94×103Hz。部分模态振型如图5～图9所示。

图5 固有频率为6.75×101Hz的模态振型

图6 固有频率为4.20×102Hz的模态振型

图7 固有频率为6.29×102Hz的模态振型

图8 固有频率为7.35×102Hz的模态振型

图9 后减速板固有频率为9.66×102Hz的模态振型

图5～图9中,后减速板有整体扭转振动,并有局部弯曲变形。后减速板模态振型图中右侧颜色条从下到上的颜色变化代表构件变形变大,振动变强。从后减速板振型图上找到对应的颜色就知道该区域的振动变形情况。通过与颜色条对比发现,后减速板钛合金梁和内蒙皮变形大,振动强,是容易发生断裂的区域。

3 结 语

某型飞机在飞行中当前减速板和后减速板同时打开时,前减速板因气流分离产生强烈不稳定气流,这些不稳定气流直接冲击正后方处于打开位置的后减速板,不仅对后减速板形成弯、剪作用,而且还有强烈的激振作用。通过模拟后减速板在飞行时所受的载荷,对后减速板进行静态和动态特性分析,发现在这些载荷下后减速板梁和内蒙皮应力大,振动强,是容易发生断裂的区域。

在对后减速板的日常检查中,应特别注意梁和内蒙皮是否有裂纹。在不影响后减速板总体功效、不影响飞机的机动性和敏捷性的条件下,应综合考虑后减速板自身结构和载荷环境进行改进。可以通过改变后减速板开孔的形状、位置、大小来改变气流的激振作用,以减少气流对后减速板的气动载荷;通过改变梁和内蒙皮的尺寸、材料,使梁和内蒙皮的强度和刚度符合要求。

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