组合式起落架缓冲器耐坠毁性能仿真与分析

2022-04-27韩雨莹房兴波魏小辉谢欣宏

南京航空航天大学学报 2022年2期

韩雨莹，房兴波，陈虎，魏小辉,2，谢欣宏

（1.南京航空航天大学飞行器先进设计技术国防重点学科实验室，南京 210016；2.南京航空航天大学机械结构力学与控制国家重点实验室，南京 210016；3.中国飞行试验研究院，西安 710000）

直升机由于其自身旋翼的存在及周围复杂气流的影响，使得发生危险时，驾驶员无法通过弹射系统脱身，因此驾驶员很难在坠机前安全脱离直升机［1］。为保证驾驶员的生命安全，需通过一系列抗坠毁措施，使得直升机触地时，作用在人体的过载限制在生命耐受范围内，此时抗坠毁设计就显得至关重要［2］。

20 世纪70 年代，美国和一些欧盟国家为了验证飞行器的抗坠毁能力，开始进行坠撞试验，之后，美军对大量旋翼和固定翼飞机均进行了坠撞试验，并给出其可生存事故范围［3］。传统的抗坠毁设计依赖大量的物理实验，花费时间长且资金投入多；而抗坠毁数字仿真可以最大限度地规避风险、提高效率。文献［4］简化了机身模型，引入六边形蜂窝吸能装置，进行坠撞实验，并利用非线性有限元软件ABAQUS 对实验进行模拟，计算结果与实验结果相吻合，进而优化吸能装置。文献［5］利用三维有限元软件LS⁃dyna 建立了机身截面三维模型，进而确定了结构变形和地板高度加速度响应，便于更好地理解冲击坠撞过程。

直升机抗坠毁吸能的主要部件为起落架、机身和座椅，起落架是抗坠毁研究中最重要的一环，正常着陆时依靠油液阻尼耗能，而意外坠毁时，能量更多地转化为塑性变形［6］。缓冲器作为起落架中最主要的吸能元件，能够将直升机的动能转换成其他能量耗散掉，进而实现缓冲吸能，研究表明，多级组合式的缓冲器可以提升抗坠毁能力［7］。

泡沫铝是一种一次性压溃元件，维护成本低，利用效率高，且具备较高比强度、比刚度等优异特性，其吸能本质是压缩变形过程中的能量耗损［8］，在压缩载荷作用下显示出典型的变形三阶段特征：线弹性阶段、平台区及致密化阶段。由于泡沫铝在压缩过程中存在高而宽的应力平台，这使其在近似恒应力下能够吸收大量能量［9］，是极具发展前景的新型缓冲材料。文献［10］提出了一种泡沫铝加钢壳组合式的抗撞装置，用于减小船舶撞击对海上风电组的损伤，并显著减小了最大碰撞力和机舱加速度。文献［11］对泡沫铝夹芯板的爆炸响应进行实验研究，得到变形破坏模式，定量分析能量吸收效率，得出其具有更高抗爆性能的结论，可广泛应用于工程防护领域。文献［12］将泡沫铝填充钢管作为汽车前纵梁结构缓冲装置，通过轴向压缩时泡沫铝和钢管之间的交互作用来吸收能量，得出泡沫铝在汽车缓冲吸能方面具备较好的应用。文献［13］对泡沫铝等材料的缓冲吸能特性进行研究，在不同温度、应变率条件下分别建立理论计算模型，并通过试验验证，系统地分析泡沫铝等材料在航天腿式着陆器里的缓冲吸能特性。综上所述，尽管泡沫铝在汽车、船舶、航天等领域被广泛应用于冲击吸能和撞击防护，但是对其在航空领域的研究较少。本文提出了一种将泡沫铝应用于抗坠毁级缓冲的缓冲器设计方案，建立了泡沫铝与油⁃气组合式耐坠毁缓冲器模型，并验证其可行性。

1 泡沫铝压溃变形能量吸收计算

通过塑性坍塌应力的理论模型计算泡沫铝的塑性屈服强度σf数值。泡沫铝压缩吸能过程中，在线弹性阶段后，其压缩曲线存在长而宽的应力平台，此时应变增大而应力维持不变，泡沫铝进入屈服状态，因此塑性屈服强度也为平台区应力［14］。

不同密度的泡沫铝在压缩载荷下表现出来的力学特性差异较大，因此，对于泡沫铝而言，相对密度是一项重要的结构参数。相对密度是泡沫铝、泡沫铝基体材料密度的比值，其值可以通过孔隙率计算获得，孔隙率与相对密度的关系为

式中：σs为泡沫铝基体材料的塑性屈服强度；φ为体积分数，即孔棱占整体比例常数，本文采用闭孔泡沫铝进行缓冲器设计，在实际情况中闭孔泡沫铝中也会存在少部分开孔泡体，因此在本算例中，假设闭孔泡沫铝中存在5% 的开孔泡体，即φ=0.05。闭孔泡沫铝由于孔膜的延伸和孔胞内气流的压缩，均会增强其压缩强度，文献［15］据此得出c2、c'2对闭孔泡沫铝屈服强度影响的合理取值，即c2=0.3，c'2=0.44。最终选取建立计算模型和有限元模型的泡沫铝试样相关参数如表1 所示。将表1 参数代入式（1，2）计算得到泡沫铝平台区应力值为σf=9.12 MPa。

表1 计算模型所需泡沫铝试样参数Table 1 Mechanical parameters of foam⁃aluminum required during calculation model

2 泡沫铝压溃过程有限元仿真

2.1 模型建立

建模过程中，考虑到在中、低应变率的情况下，泡沫铝的力学性能不具有应变率敏感性，且为各向同性材料，因此采用LS⁃DYNA 中63 号可压扁泡沫材料的本构模型进行数值模拟分析［16］，将泡沫铝划分成8 节点Solid 164 六面体单元。下压板和支撑板设置为刚体，仿真过程中选用由LS⁃Dyna提供的一种刚性体材料模型，使用这种材料的部件所有节点将保持相对位移不变。建模所需材料的物理属性见表2。

表2 泡沫铝材料属性Table 2 Mechanical properties of present foam⁃aluminum

泡沫铝、下压板和支撑板的单元属性均设置为LS⁃Dyna Sectsld。约束支撑板的所有自由度以及下压板的2 个平动、3 个转动自由度，保证下压板垂直下压。假定机体质量为3 000 kg，下压板携带附加结构质量以冲击速度10 m/s 向下压，建立的有限元模型如图1 所示。

图1 泡沫铝压溃模拟有限元模型Fig.1 Finite element model of foam-aluminum during crushing simulation

2.2 压溃仿真与试验对比分析

在建模完成后，便可进行有限元压溃仿真分析，其压溃过程中泡沫铝应力云图分布如图2 所示。由图2 可知，在泡沫铝压溃过程中，起初试件各部位都有变形，但中间段应力较大，所以泡沫铝中间薄弱区域率先达到坍塌应力形成褶皱，随着褶皱累积叠加，最终泡沫铝被压实。在整个压缩的过程中，试件两端的应力基本平衡。

图2 泡沫铝缓冲作用过程中的应力分布云图Fig.2 Stress distribution nephogram of foam-aluminum dur⁃ing buffering process

图3 为单一泡沫铝压溃过程中的应力⁃应变曲线对比图，其中，红色实线为仿真值，黑色虚线为试验值。观察仿真曲线，到达应力峰值后，由于泡沫铝的初始瞬态效应使得其应力先减小后增大，这是因为泡沫铝在压溃过程中残留少许脆性相，出现脆性坍塌。随后进入塑性坍塌阶段并形成相当长的一段平台区，在此阶段应力几乎不随应变变化，这对冲击保护极为重要。当应变为0.65 时，压溃应力开始急剧增大，泡沫铝进入致密化阶段，此时泡沫铝中几乎所有孔洞都被压实，产生加工硬化现象。

图3 泡沫铝缓冲压溃应力-应变曲线对比图Fig.3 Stress-strain curve comparison diagram of foam-alu⁃minum during crushing

进一步将试验曲线与仿真曲线对比可知：在泡沫铝的压溃过程进入到塑性变形阶段，仿真值的波动幅度较小，具有较为理想的应力平台区，这是因为仿真无法模拟实际泡沫铝胞单元发泡的随机性，真实破裂首先发生在薄壁区域，压溃从低强度的孔胞逐级扩展至高强度的孔胞。试验曲线在致密化阶段的斜率较大，主要原因是建模过程忽略了泡沫铝内部的微孔洞，增大了固体体积含量，从而导致仿真的应力值偏小［17］。

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将泡沫铝压溃仿真得到的平台区应力值、通过塑性坍塌应力模型计算获得的平台区应力值与试验得到的平台区应力值进行比较，如表3 所示。

表3 泡沫铝平台应力值结果对比Table 3 Comparison of stress results of foam⁃aluminum platform

综上所述，有限元模型的仿真结果与数值计算结果较为接近，偏差为9.5%，仿真得到的应力⁃应变曲线与泡沫铝压溃试验得到的曲线走向基本一致。这证明了上述有限元建模的准确性，并为后续缓冲器的设计提供可行性参考。

3 组合缓冲器耐坠性分析

3.1 MATLAB/Simulink 参数化模型

抗坠毁缓冲器主要由低压部段和抗坠毁部段组成，正常着陆时低压部段起缓冲作用，只有在高下沉速度着陆时，抗坠毁部段才起缓冲作用。本文抗坠毁缓冲器的低压部段为单腔油气式缓冲器，依靠油针来调节油孔大小实现缓冲，图4 为组合式抗坠毁缓冲器的结构示意图。

图4 油气-泡沫铝组合式缓冲器结构示意图Fig.4 Diagram of the combined oleo-pneumatic and foamaluminum buffer structure

泡沫铝作为抗坠毁部段，由于其应力⁃应变曲线存在“应力降”现象，即线弹性阶段应力峰值较大，结束后孔壁和孔棱的坍塌造成应力下降。该现象不利于缓冲压溃的稳定性，因此将泡沫铝进行预压缩处理至平台区，再进行后续起落架落震仿真试验［18］。经预压缩处理后泡沫铝的压溃载荷⁃位移曲线如图5 所示。

图5 经预压缩处理泡沫铝的压溃载荷-位移曲线Fig.5 Crushing load-displacement curve of foam-aluminum treated by precompression

将预压缩处理后的泡沫铝载荷⁃位移曲线导入Simulink，建立起落架的缓冲器模型。缓冲器在充液状态下低压部段的设计参数见表4。泡沫铝高压抗坠毁部段的设计参数见表5。

表4 低压部段缓冲器参数Table 4 Parameters of low pressure section buffer

表5 泡沫铝抗坠毁部段缓冲器参数Table 5 Parameters of foam⁃aluminum crashworthiness section buffer

3.2 起落架建模

直升机抗坠毁起落架采用摇臂式构型，起落架虚拟样机主要由高压腔外筒、高压腔活塞杆、低压腔活塞杆、低压腔外筒、机轮、轮胎和主摇臂组成，各组件之间的连接如图6（a）所示。利用各组件运动副关系在Simulink 软件中建立起落架仿真模型，所建立的起落架虚拟样机如图6（b）所示。

图6 Simulink 中起落架各部件运动副关系及建立的虚拟样机Fig.6 Kinematic pair relation of each part of landing gear and virtual prototype in Simulink

3.3 抗坠毁结果分析

图7 低压部段和高压部段压缩量及缓冲力曲线Fig.7 Compression and buffer force curves of low and high pressure sections

图8 高低压部段缓冲器及起落架功量图Fig.8 High and low pressure section buffer power diagram and landing gear power diagram

表6 为两种缓冲器起落架抗坠毁分析结果的汇总。与传统两级油气式起落架相比，油气⁃泡沫铝起落架的地面垂向载荷峰值为317.21 kN，减少了38%。在10 m/s 的冲击速度下，油气⁃泡沫铝组合式缓冲器的高压部段的压缩量相对较少。这是因为在坠毁过程中，其高压部段压溃发生的较晚，初始坠毁时高压部段参与较少，这保障了安全的使用行程，也节省了缓冲器的内部空间。油气⁃泡沫铝组合式起落架的缓冲效率明显高于两级油气式起落架，效率提升了12.7%，可见油气⁃泡沫铝组合式缓冲器具备更优异的抗坠毁性能。