基于ALE方法的飞机撞水数值响应分析

2016-08-31胡威

中国科技信息 2016年6期

胡威

基于ALE方法的飞机撞水数值响应分析

胡威

对于失联的马航370，坠海是一种可能的情况。文中基于LS-DYNA仿真平台建立了波音777-20ER撞击水面的数值模型，采用ALE方法分析了飞机在机头先入水的情况下，得到了飞机所受的竖直加速度和左右发动机所受水压强变化规律。结果表明，飞机在撞水后会出现两个加速度峰值，这两个峰值对应左右两个发动机撞水的时刻；同时，两侧机翼都入水之后，由于左右两侧所受的压强不同，导致飞机发生偏转。分析结果为飞机结构设计和马来西亚航空MH370的事故调查分析提供了参考。

2014年3月8日，马来西亚航空一架波音777-200搭载包括154名中国乘客在内的227名乘客及12名机组人员，从吉隆坡飞往北京。起飞后不久，客机在吉隆坡航空管制区与越南胡志明市航空管制区交界处同地面控制中心失去联络。截至目前，飞机依旧处于失联状态，官方声明飞机最大可能是在坠落在海上，搜救工作依旧在进行中。

在飞机撞水的过程中，飞机的速度、俯仰角和重心位置与飞机的结构响应密切相关。国外已经在上世纪五十年代起对撞水相关的课题做了很多研究，包括运输机的水上迫降，水上飞机的水面降落，返回舱的水面回收。基于波音707飞机的水上迫降实验基础，波音公司目前采用了类推法则进行对于大型客机水上迫降性能的研究。目前，我国已经完成了ARJ-21飞机的设计，并且已经交付航空公司使用。在进行ARJ-21的设计过程中，飞机设计部门依据《中国民用航空规章第二十五部》进行了水上迫降方面的适航取证，所取得的实验数据对于我国自行设计制造的C919飞机适航取证具有重要意义。因此，研究飞机在撞水时的结构响应规律，对于飞机水上迫降性能研究、航空事故调查分析和飞机适航取证具有重要意义。

本文中针对飞机整机模型，采用 ALE［1］方法对飞机以-90°俯仰角，30度偏航角撞击水面的工况进行计算和分析，以此来分析飞机发动机所受水压强和竖直加速度变化情况。

飞机水面降落的分析模型

飞机撞水的过程具有大位移、大形变的特点。目前，有限元技术中的Lagrange、Euler和Arbitrary Lagrangian - Eulerian （ALE）都可以用来进行水机撞水过程的模拟。其中，ALE方法同时具有Lagrange方法和Euler方法二的优点，在有效跟踪物质结构边界运动的同时，可以使内部网格单元独立于物质实体而存在，网格可以在求解时进行位置调整，避免了网格畸变的产生。

本文使用LS-DYNA对于飞机的撞击水面的过程进行分析，将飞机网格设定为Lagrange算法，空气域和水域采用欧拉算法。将两种单元的接触面定义为流固耦合面，用罚函数方法求解耦合面的接触力。

飞机模型

本文建立了波音777-200ER全尺寸模型，机体结构采用壳单元，机身长度为63.7m，翼展为60.9m。因为飞机采用刚体材料，所以可以通过有限元软件LS-DYNA中的*PART-INERTIA关键字定义飞机的重量、重心和转动惯量等参数，保持飞机的计算模型与真实情况的一致性，而不需要对飞机内部结构进行完整建模。其中，重量为180t，重心为30%平均空气动力弦，飞机网格数量为14226。如图1为所建立的波音777-200ER飞机有限元模型。

水和空气模型

流体模型包括水体和空气两部分，模型中采用空材料（Null），划分六面体网格。运用BOUNDARY -NON _REFLECTING 关键字将水域和空气域定义为无反射边界，模拟水波浪在水面和水底的传播过程，减少了建模时的水域和空气域的范围，节约计算时间。如图2所示，水域尺寸为163m×48m×98m，网格单元数为771456，空气域尺寸为163m×48m×47m，网格单元数为204672。

流体单元的压力用Gruneisen状态方程表述为：

式中：C—冲击波速度Vs和质点速度Vp曲线（Vs-Vp）的截距；

ρω，ρ0—当前密度和初始密度；

γ0—Gruneisen伽玛；

a—γ0的1阶体积修正系数；

S1，S2，S3—曲线斜率的系数。

控制输出

波音777-200ER的发动机短舱和吊架组件通过 4个保险销连接到机翼上。保险销设计为在出现不正常载荷作用到发动机短舱上时可以失效折断，例如在紧急着落过程中，以保护机翼结构并且允许发动机组件干脆利落地脱落。虽然在本案例研究时，飞机材料定义为刚性材料，计算中并未考虑飞机的形变，但是研究发动机所受压强的峰值和变化规律，依旧对飞机结构设计和事故调查分析具有积极意义。通过关键字 DATABASE_FSI 定义压力传感器，将传感器安装在两个飞机发动机部位。

图1 波音777-200ER飞机结构有限元模型

图2 飞机撞水流固耦合模型

图3 飞机入水仿真结果剖面图

图4 飞机竖直加速度

图5 发动机所受压强

计算结果与分析

本计算中，飞机的速度为67m/s，攻角为0，得到了飞机的加速度和左右两个发动机所受的水压强。

图3分别给出了飞机在不同时刻的方针结果剖面图。t=0.3s时，飞机左发动机已经入水；t=0.5s时，飞机右发动机已经入水；t=1s时，飞机的左右机翼完全进入水面以下；t=3s时，相对左发动机刚入水时的状态，飞机偏航角发生了明显的变化。

如图 4所示，飞机加速度出现了两个峰值，两个峰值分别对应左右两侧发动机入水的时刻。0～0.22s，只有机头部分撞击水面，飞机所受的加速度变化平稳；0.22s时，飞机左侧发动机撞击水面，此时，飞机所受的加速度会突然增加到55m/s2，出现第一个加速度峰值；在0.4s时，飞机的加速度突然增加到96m/s2出现第二个峰值。虽然波音777-200ER飞机是左右对称结构，而且第二个加速度峰值出现时，飞机的的前向速度比第一个峰值出现时的前向速度小，但是飞机第二个加速度峰值大于第一个峰值。这种现象出现的原因是，当飞机的左发动机入水后，飞机的左机翼部分也开始撞击水域，而右侧机翼还未撞击水域，导致飞机的左右两侧机翼受力不对称，偏航角发生变化。由于存在上述偏航角加速度，右发动机撞击水面所受的力大于第一次峰值时的左发动机所受的力。基于以上原因，飞机的第二个加速度峰值大于第一个加速度峰值。

如图 5 发动机所受压强所示，左右两侧发动机所受水压强变化趋势大致为：先突然增加，然后逐渐降低，之后又逐渐变大。其中，右侧发动机所受水压强的峰值大于左侧发动机所受水压强峰值，这一趋势与飞机所受竖直加速度变化趋势相吻合。在1s时，飞机左右两侧发动机所受的压强相等。1s之后，左侧发动机所受压强大于右侧发动机所受压强，这说明飞机左右两侧所受力不对称，从而导致了飞机的偏航角发生变化。