跪式起落架在武装直升机坠毁过程中能量吸收能力研究(Ⅱ)——理论模型分析方法

 采用简化的弹簧 -刚性杆系统模型,通过 Lagrange方程解出了直升机以 6 m/ s的速度垂直撞击地面这一过程的动态响应,近似给出了起落架吸收的能量 (塑性功 )占初始动能的百分比;机体的动能变化曲线以及主缓冲器的载荷谱曲线。与有限元分析结果进行比较,符合程度很好,可为直升机抗坠毁初始设计提供理论指导。     

直升机起落架抗坠毁性能的有限元仿真评估

 建立了直升机起落架抗坠毁有限元模型,模拟硬着陆和坠毁过程,以考察起落架在坠毁事故发生时的吸能能力。有限元建模使用真实的几何模型,用一个虚拟的框架代替机身把起落架连接起来,全机质量折算为减缩质量并分布到该框上。缓冲器用弹簧—阻尼器单元替代,其参数由性能曲线给出。使用非线性瞬态动力学的显式解法求解冲击问题。对两种情况进行了仿真:分别以6.0m/ s 和10.2m/ s 的垂直速度撞击地面。坠毁实验表明仿真结果与实验结果具有较好的一致性。     

直升机软油箱抗坠毁性能研究

本文以直升机结构试样软油箱为研究对象,对其抗坠毁性能进行了仿真分析与验证。首先介绍了软油箱与地面的撞击过程中涉及到的流固耦合理论。然后建立了软油箱的有限元模型,使用MSC.Dytran对软油箱以17.3m/s速度垂直撞击地面的全过程进行了仿真分析,将分析结果与试验结果中的冲击载荷和变形进行对比分析,得出了相关结论。最后研究了材料性能、坠地姿态和外形尺寸对软油箱抗坠毁性能的影响,为抗坠毁软油箱的设计提供理论依据。     

垂直着陆中直升机旋翼动力学行为研究

提出了直升机垂直着陆撞击激起旋翼扰动的动力学模型,为预估粗暴着陆时起落架载荷和旋翼液压阻尼器轴向速度幅值给出了一种数值模拟方法。以弹性轴承旋翼直升机为例,对垂直着陆时直升机机体、起落架、旋翼桨叶及阻尼器的动力响应进行了数值模拟,分析了着陆撞击引起机体和旋翼扰动的力学机理,可知在起落架触地后的第1个振荡周期中,各片桨叶将经历其不同的摆振幅值,并激起旋翼摆振后退型响应。着陆撞击引起桨叶的大扰动,将冲开阻尼器的定压安全活门,严重降低其等效阻尼。随机着陆时,起落架触地速度及过载系数、旋翼挥舞及摆振幅度和阻尼器速度峰值等动态参数由于着陆时机体的姿态角及角速度不同呈现很大的分散性,其分散性与着陆高度有关。     

直升机着舰起落架动态响应

舰载直升机着舰过程复杂。与地面降落相比,舰面的不稳定气流使得直升机姿态难以保持,下降的速度更大,且由于直升机通常都是单轮着舰,导致起落架载荷很大。为了研究直升机在不同条件下着舰时起落架的动态响应,建立了机体/起落架/舰船耦合模型,将着舰过程中直升机的运动和舰船的运动联系起来,通过仿真计算得出起落架的动态响应。仿真计算结果表明:直升机着舰质量越大,起落架压缩量和载荷越大;直升机低头着舰会导致前起落架载荷显著增大;直升机着舰下沉速度过大会导致着舰载荷急剧增大,可能会对结构造成破坏。     

武装直升机抗坠毁救生技术

通过对直升机抗坠毁救生技术的分析,着重阐述了抗坠毁座椅的工作原理、特性要求, 讨论了吸能机构、约束装置、座椅垫的设计思想,分析了人体损伤机理和耐限。得出了武装直升机座椅、起落架和机体下部结构的抗坠毁性能,特别是座椅的抗坠毁性能决定抗坠毁生存率的结论。     

弹性机体起落架的动态性能仿真分析

 通过建立弹性机体的等效模型,导出了系统的运动微分方程;并在ADAMS/Aircraft环境中建立了虚拟样机,仿真出具有弹性机体的飞机着陆时的动态响应。仿真结果显示出弹性机体能起到吸收和耗散能量的作用,吸收了缓冲器功量的6.5%,并可以适当减轻着陆时的侧滑过载。对考虑弹性机体起落架系统进行了研究分析,得出机体的低阶弹性模态起到提高飞机起落架缓冲器效率的作用。该设计方法能够减小轮胎和缓冲器的受载,延长起落架寿命。此外,对传统起落架缓冲器设计准则进行了完善。     

直升机滑跑地面共振特性研究

依据直升机定常滑跑平衡特性分析得到的起落架定常载荷、旋翼操纵量及定常挥舞,结合起落架轮胎和缓冲支柱的静、动特性试验数据,应用自由振动理论计算得到机体侧向和纵向模态特性随滑跑速度的变化规律;采用计入几何耦合的旋翼液压阻尼器动力学模型,计算了定常滑跑时旋翼周期摆振响应,并得到液压阻尼器在"双频"条件下的等效阻尼;应用平面动力学模型分析不同因素对直升机滑跑地面共振的影响。结果表明,滑跑速度会降低机体侧向模态的固有频率;某型直升机旋翼总距为2°时,在22.8~31 km/h范围内定常滑跑时,直升机遇到较大扰动时将发生地面共振,且旋翼总距增加会降低地面共振的滑跑临界速度;直升机定常滑跑时保持小总距,小扰动,则不会发生地面共振。     

飞机起落架缓冲器数学模型研究

飞机着陆时与地面撞击将产生较大的撞击能量,大部分能量需要通过起落架缓冲器吸收,在进行飞机设计时首先要对能量吸收过程进行计算分析,也就是通常所说的缓冲性能分析。本文将对各种起落架,包括单气腔、双气腔、双油式起落架缓冲器进行数学建模,为缓冲性能分析及未来的试验仿真打下基础。     

起落架缓冲系统参数优化设计

 同时考虑了起落架缓冲系统性能对飞机着陆和滑行过程中的影响,从改善飞机地面滑行动态响应特性出发,在满足着陆撞击等约束条件下,提出并建立了起落架缓冲系统参数优化设计的方法和模型,并以主起落架缓冲系统优化设计为例,具体讨论了优化过程和结果。实例计算表明,利用本文方法将有效地改善起落架缓冲系统性能。     

舰载直升机旋翼/机体非线性耦合稳定性分析

基于多体动力学方法建立了舰载直升机旋翼/机体耦合系统的动力学模型,其中机体起落架模型由非线性的液压作动器和橡胶轮胎两部分组成,而舰船的横摇和纵摇以简谐激励的形式通过起落架传递给旋翼/机体系统.针对不同的舰船激振频率,研究舰载直升机起动过程中旋翼/机体系统的时间响应历程和动力学稳定性.结果表明:舰载直升机的机体和桨叶摆振自由度在舰船激励下均会出现极限环振动现象,并且当舰船激振频率与旋翼旋转频率相等时会激发出旋翼的摆振后退型模态的极限环振动,使旋翼重心偏离桨毂中心,进而可能导致“舰面共振”事故发生.      

基于降落区概念的飞机起落架着陆动力学分析

在飞机跑道上引入降落区的概念,建立了飞机在该降落区上降落时的简化分析模型;推导出了基于该分析模型的运动微分方程及相关参数的表达式,采用数值分析方法解出飞机分别以正常着陆速度2.70m/s和非正常着陆速度3.545m/s垂直撞击地面这一过程的动态响应,给出机身载荷－时间历程曲线和地面垂支反力－时间历程曲线等。与原模型分析结果相比,正常着陆时机身受载和地面垂支反力最大值减小45％,非正常着陆时机身受载和地面垂直反力最大值减小49％,有效减小了冲击载荷。     

民用飞机机身舱段的适坠性数值仿真分析

以民用飞机典型机身舱段下部结构为研究对象,建立了结构坠撞有限元模型,利用Pam-Crash软件进行了结构能量吸收特性仿真分析,得到机身舱段的变形、零组件吸能情况及座椅滑轨处的加速度计算结果。分析结果显示飞机在9m/s的垂直速度撞击地面时,原机身结构设计乘员处的过载超过了人体加速度的耐受极限,不满足垂直撞击适坠性要求;而加装副框缘后的机身结构,乘员处的过载在人体可承受的加速度范围内,地板以上的生存空间不小于原来空间的85%,更改后的机身舱段结构设计满足垂直撞击适坠性要求。     

基于直升机地面共振要求的起落架刚度及阻尼优化设计

为给出满足直升机地面共振稳定性要求的起落架刚度及阻尼的优化设计方法,首先构造机体无阻尼时其非稳区的模态阻尼比函数,据此给出机体模态非稳区临界转速的计算方法,结合与旋翼摆振后退型模态共振转速下机体模态阻尼比的计算方法,给出了满足地面共振稳定性的机体固有频率及阻尼要求。然后,根据支持在起落架上的机体自由运动模型,建立机体模态频率及阻尼与起落架刚度及阻尼的关系,从而给出满足直升机地面共振稳定性的起落架刚度及阻尼要求。最后,基于上述稳定性要求,在满足着陆缓冲性能要求的起落架刚度及阻尼范围内,以减小起落架需用阻尼且增大机体最小模态阻尼比为优化目标提出了对其刚度及阻尼进行优化设计的方法,并通过对某型直升机4种不同重量重心状态下的起落架刚度及阻尼进行优化验证了该方法的可行性。     

基于Lagrange方法的直升机地面共振分析模型

建立直升机旋翼/机体耦合运动微分方程是进行地面共振分析的基础。运用坐标转换矩阵得出桨叶上任意一点在惯性坐标系下的坐标和速度,由此可以得到旋翼/机体耦合系统的动能、势能和耗散能,用Lagrange方法推导出了直升机旋翼/机体耦合运动微分方程。用地面共振分析常用的Coleman模型对文中的模型进行比较验证,结果显示,文中模型与Coleman模型结果是一致的,可以认为文中的模型是正确的。     

大型运输类飞机典型机身框段坠撞特性分析

为了研究大型运输类飞机坠撞特性及失效模式，发展机身框段结构有限元建模及坠撞仿真技术，首先设计加工三框两段全尺寸机身框段试验件(含2套三联座椅和4个FAA混Ⅲ假人)；其次通过开展坠撞试验获得其坠撞变形及响应特性；最后建立经试验验证的机身框段有限元模型，并进一步评估其撞击不同地面(混凝土地面和软土地面)时的响应特性。结果表明，在6.02 m/s坠撞速度下，客舱地板上部区域基本保持完整，客舱地板下部区域发生了较大变形与破坏，产生3处塑性铰；货舱地板横梁一侧在其与机身框连接处发生断裂，导致同侧的客舱地板峰值加速度明显大于另一侧，最大峰值加速度和撞击力分别为427.7 m/s²和290.8 kN。有限元模型能够准确模拟客舱地板下部的3处塑性铰、货舱地板横梁与机身框连接处的失效情况等，且在速度、加速度等方面与试验结果吻合较好，仿真结果表明机身框是主要的吸能部件，占总吸能量的40.7%；当机身框段撞击不同地面时，由于软土地面发生变形并吸收了部分冲击能量，导致机身变形模式发生改变，并降低了传递给乘员的峰值加速度。     

跪式起落架结构参数对直升机滚转模态频率影响的研究

铰接式单旋翼直升机的滚转模态是影响地面共振最关键的模态。文章针对跪式起落架结构和力的非线性特点,计算了起落架轮轴垂向力与缓冲支柱轴向力的传递系数。利用缓冲支柱及轮胎的静压缩试验数据,采用迭代计算的方法进行了全机地面平衡计算。基于刚度和阻尼等效计算原则,提出了跪式起落架系统的等效刚度和等效阻尼计算方法。通过对UH-60直升机仿真计算可知,摇臂外撑一定角度、缓冲支柱及轮轴长度增加、缓冲支柱与机身连接点下移能够不同程度的提高机体滚转模态频率。若将摇臂撑开30°,缓冲支柱伸长0.2 m,轮轴伸长0.2 m时,机体滚转模态频率可从3.54Hz提高到4.35Hz,比设计改进前提高了22.8%。通过改进起落架结构参数设计提高机体滚转模态频率,能够有效改善直升机的地面共振特性。     

地面系留对直升机动力响应的影响

 建立了系留状态下直升机旋翼/机体耦合非线性动力学模型,无铰旋翼简化为当量铰刚性桨叶模型,假定机体是刚性体并受起落架和系留索的约束,系留索静态时松弛并只能承受拉力。采用数值仿真研究了系留对模型旋翼地面共振的影响,对初始扰动和旋翼转速对系统动力学行为的影响也进行了仿真研究。对于无系留的模型旋翼来说,在任何转速下没有出现不稳定现象;地面系留时系统会呈现稳定响应、极限环以及大幅值振荡等非线性动力学行为,大幅值振荡将使系留索、接头和支持结构承受破坏性动力载荷。     

典型金属民机机身结构坠撞特性试验

为验证典型金属飞机机身结构的适坠性,开展了机身等直段结构在5.91 m/s下的垂直坠撞试验,得到了地面撞击载荷、机身结构变形及机身结构典型位置和假人的动态响应数据,分析了坠撞过程中机身结构的变形失效机理、载荷传递规律及能量吸收特性,提出了提高机身结构适坠性的设计方法。试验研究表明,在坠撞冲击载荷作用下,客舱地板横梁以下结构出现较为严重的变形,机身结构呈现非对称的破坏模式。在坠撞过程中,由于机身框和横梁变形吸收了大部分冲击能量,因此,相较于立柱处加速度峰值,传递至乘员处加速度峰值减小了90%左右。由综合适坠性评估指数可知,机身结构在5.91 m/s的坠撞速度下,具有良好的适坠性。     

跪式起落架直升机地面平衡特性分析

针对跪式起落架特殊的结构形式及其在地面载荷下呈现"下跪"姿态的运动特点,考虑缓冲支柱及轮胎的非线性特性及跪式起落架的非线性运动,对跪式起落架直升机地面平衡状态进行建模分析。首先,对跪式起落架进行力学分析,建立跪式起落架及全机纵向平衡方程;然后,通过调用Matlab中的Fsolve命令对建立的非线性方程组进行求解,得到了不同载重和不同拉力系数下,受重心运动、机体绕重心转动及桨盘倾斜角变化等多种非线性因素耦合影响的跪式起落架运动规律。跪式起落架直升机地面平衡特性的计算,对进一步计算跪式起落架直升机机体模态特性和"地面共振"分析具有十分重要的意义。