折叠翼缓冲装置参数确定分析

李玉亮，付 凡

（1．中国航空工业洪都，江西 南昌330024；2．空军驻江西地区军事代表室，江西 南昌330024）

折叠翼缓冲装置参数确定分析

李玉亮1，付 凡2

（1．中国航空工业洪都，江西 南昌330024；2．空军驻江西地区军事代表室，江西 南昌330024）

对某折叠翼所采用的金属橡胶缓冲器的设计参数进行了研究。本文采用准静态接触有限元分析与ADAMS动力学仿真结合的方法，将刚体动力学接触碰撞刚度与有限元接触刚度相融合，确定了等效的缓冲装置线弹性材料参数，最后得到了不同驱动力与缓冲装置组合下折叠机构展开到位的冲击载荷，可为展开机构设计及缓冲装置工程研制提供参考。

折叠翼；金属橡胶；缓冲；接触分析；动力学仿真

0 引言

在某纵向折叠翼展开到位过程中，翼面冲击面碰撞压缩金属橡胶缓冲片，通过缓冲片变形将折叠翼动能转化为缓冲片内能，从而起到缓冲作用。

为实现折叠翼展开之后的缓冲要求，需要确定合理的金属橡胶的属性参数。在折叠翼刚性体动力学仿真过程中，翼面展开到位时的减速缓冲是通过刚性体翼面与缓冲片之间定义的接触碰撞来实现的，缓冲效果主要受到ADAMS接触参数的影响，不能够得到缓冲装置的材料属性，因此需要一种方法，将ADAMS的接触参数（碰撞刚度k）与缓冲材料属性参数（弹性模量E）建立一种关系，以确定合适的材料参数。

金属橡胶缓冲片宏观弹性模量表现为非线性，其参数更多需通过试验测得。本文采用准静态接触有限元分析与ADAMS仿真结合的方法，首先进行线性假设，将线性弹性模量设为优化变量，确定线弹性参数；得到合理的金属橡胶缓冲装置属性参数弹性模量E。再根据能量等效方法，结合确定的线弹性参数、金属橡胶性质和试验，设计出符合指标的金属橡胶缓冲装置。因此，金属橡胶宏观弹性模量在动力学仿真时按照线弹性Elinear计算，缓冲片设计时按照缓冲片从0压缩至Δlstandard时能量等效原则进行非线性弹性模量Enon设计。

1 准静态接触非线性有限元分析

1.1 接触碰撞定义

在ADAMS/View中有两种计算接触力的方法，一种是恢复系数法；另一种是冲击函数法。翼面与缓冲装置的接触碰撞属冲击接触，在折叠翼虚拟样机建模中的接触定义中，采用冲击函数法。冲击函数法是根据IMPACT函数来计算两个构件之间的接触力，接触力由两部分组成：一个是由于两个构件之间的相互切入而产生的弹性力；另一个是由相对速度产生的阻尼力。

在ADAMS的接触碰撞函数中，定义的IMPACT碰撞力函数形式为：

式中，q0—两个要碰撞物体的初始距离；

q—两物体碰撞过程中的实际距离；

dq/dt—两个物体间距离随时间的变化率，即速度；

e—刚度贡献指数；

cmax—最大阻尼系数；

d—全阻尼穿透值，决定阻尼力何时达到最大。为了防止碰撞过程中阻尼力的不连续，式中采用了step函数，其形式为step(x，x0，h0，x，h)

3）材料属性定义

由于金属橡胶材料的泊松比υ≤0.02，对缓冲片性能的影响很小，这里取0.02。

4）定义接触

接触设置里定义缓冲装置为变形体，定义接触曲面为刚性面。对缓冲装置施加约束：圆孔底部约束6个自由度；约束内侧表面法向上的自由度，如图1所示。对刚性面定义运动方式为准静态的绕轴转动，直至缓冲装置压缩2mm，转轴相对位置与实际情况相同，如图2所示。

式中：a=h1-h0;Δ=(x-x0)/(x1-x0)。

1.2 接触有限元分析

基于Patran进行建模并使用Marc求解，对缓冲装置进行接触分析，具体步骤如下：

1）创建几何模型

在Patran中创建新数据库文件，为保证缓冲装置接触分析的精度与几何相似度，直接将缓冲装置与翼面CATIA几何模型导入。通过对翼面几何模型的编辑，建立与翼面接触面相同的曲面，然后将翼面实体模型删除。

2）划分有限元网格

采用手动划分网格的方式，对缓冲装置采用六面体网格划分网格。

5）分析求解

分别对弹性模量E=150，300，400MPa时的模型进行接触分析，输出压缩2mm过程中缓冲装置的各节点上的位移变形和接触力。400MPa情况下的位移变形和接触受力分别见图3和图4。

2 缓冲装置参数等效计算

2.1 弹性模量E与接触力的关系

根据有限元分析计算，设接触面从接触缓冲装置到压缩2mm过程中转动角度为φ，将φ九等分为9个角度，每个角度为φ，计算不同弹性模量下接触面每转过角度φ时的接触力，记为角度1,2,…,9对应的接触力，如表1所示。

表1 不同弹性模量下接触过程中的接触力(N)

对于线弹性材料，其接触力与弹性模量成正比。对300MPa情况下转动角度与接触力关系曲线进行拟合，得到力与角度之间的关系：

因此对于任意弹性模量E，对应的接触力：

图5为采用Patran/Marc计算300Mpa情况下接触力和角度关系后，拟合得到的曲线。

2.2 碰撞刚度k与接触力的关系

在ADAMS中对翼面和缓冲装置之间的准静态接触过程进行分析，定义缓冲装置固定，翼面绕轴旋转，如图6。刚度贡献指数取e=1，最大阻尼cmax取k=0，全阻尼穿透值取d=2mm。分别取k=10000，15000，20000，同样计算翼面转动9个角度φ达到压缩2mm过程中的接触力，结果如表2所示。

由表中的数据得出接触力与碰撞刚度k也成正比。k=20000时，对接触力与转动角度关系曲线进行拟合，得到接触力与角度关系式为：

表2 不同参数k下接触过程中的接触力(N)

同样对于任意的系数k有：

图7为Adams计算k=20000情况下接触力和角度关系，并拟合得到的曲线。

2.3 缓冲装置材料弹性模量的确定

通过Patran&Marc分析和ADAMS仿真，分别得到了弹性模量E与接触力、碰撞刚度k与接触力之间的关系，以角度为9时的接触力为标准，即压缩量达到2mm时，令Fe=Fk，若确定k的值，可以根据式（4）和式（6）求出相应的缓冲装置等效弹性模量E。例如假设根据要求确定出k=20000，根据式（6）可以得到Fk=53981N，再利用式（4）即可反解出E= 235MPa，此时Fk与Fe对比如图8。

3 缓冲装置参数计算

分别对作动筒峰值压强为8MPa、9MPa、10MPa三种工况改变不同的k值进行仿真计算，通过分析翼面展开到位时的缓冲效果：缓冲片最大压缩量、速度下降比等因素得出，取缓冲片的最大压缩量在2.7mm到2.8mm之间为最优，确定碰撞参数k后，再根据第二节计算缓冲装置参数的理论方法，求出三种工况下对应的缓冲装置弹性模量E。表3给出了三种工况下的计算结果。

表3 三种工况下仿真计算结果

4 结论

根据各工况下的计算结果与处理，可得：

1）通过有限元非线性接触计算压缩位移-载荷曲线与刚体动力学接触计算位移-载荷曲线比对和迭代修正刚性体接触参数，获得的刚性体动力学接触参数可用于模拟缓冲装置压缩过程。

2）利用该缓冲参数确定方法选取的缓冲材料参数，能使缓冲片最大压缩量在2.2mm到3.05mm之间，缓冲碰撞压缩2mm后，动能衰减超过50%，且最大压缩量和最终压缩量也均能满足研制要求。

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>>>作者简介

李玉亮，男，1981年3月出生，2003年毕业于西北工业大学，高级工程师，现从事飞行器设计工作。

付凡，男，1974年10月出生，1999年毕业于空军工程学院，硕士，工程师，现从事飞行器设计及科研管理工作。

Analysis on the parameters of buffer device for folded-wing

Li Yuliang1，Fu Fan2
(1.AVIC-HONGDU，Nanchang,Jiangxi，330024；2.Air Force Military Representative Office in Jiangxi,Nanchang，Jiangxi，330024)

After researching for overall characteristics of metal rubber buffer analysis,this thesis defines the equivalent elastic material parameters of the metal rubber buffer by combining the quasi-static contact finite element analysis to ADAMS dynamics simulation and by merging the rigid body dynamics contact collision rigidity with finite element contact rigidity.Ultimately,the impact load under different driving forces and metal rubbers combination is obtained when the folded-wing deploys to expected position,which provides reference for design of deploy mechanism and buffer engineering.

Folded-wing;Metal rubber;Cushion;Contact analysis;Dynamics simulation

2017-02-18）