飞行器水载荷结构完整性数值模拟现状与展望-Part I:水上迫降和水上漂浮

现代飞行器面临水上迫降、水上漂浮、贮箱晃动和投汲水等复杂水载荷的结构完整性和乘员安全性分析问题日趋重要,随着科学技术的发展,数值模拟已经成为飞行器设计、分析和适航取证的重要手段。以固定翼飞机、水陆两栖飞机、直升机、火箭和卫星等现代航空航天飞行器为对象,围绕适用于飞行器水载荷分析的数值模拟方法进行综述,根据外流（水上迫降和水上漂浮）和内流（贮箱晃动和投汲水）的不同将综述内容分为Part I和Part II两部分。Part I的主要工作为：首先,归纳水上迫降和水上漂浮的事故和试验,总结水气两相流和流固耦合算法的发展现状和优缺点;随后,结合工程实际,介绍飞行器水上迫降和水上漂浮的范畴、水载荷分析要点、适用的数值模拟方法和软件的国内外发展情况,其中,水上迫降的总结包括飞行参数、波浪水面和弹性体对迫降性能的影响研究,水上漂浮的总结涵盖了飞行器构型参数、破舱和波浪对漂浮性能的影响研究;最后,指出复杂风浪情况下水上迫降和漂浮的水气固三相耦合工程应用难点和解决途径,并探讨飞行器水载荷数值分析的技术挑战和未来的发展方向。     

基于SPH的小型飞机水上迫降姿态数值仿真

适航条例中要求飞机必须具备良好的水上迫降性能。早期主要通过试验方法研究飞机的水上迫降性能,但是试验耗资巨大、时间周期长。采用一种新型的数值模拟方法研究飞机水上迫降问题,利用光滑质点流体动力学(SPH)方法模拟三级波浪,建立小型飞机水上迫降模型。考虑到飞机姿态角和起落架收放状态对迫降性能的影响,建立7种计算工况,模拟得到相应的加速度响应和姿态角变化。以飞机在迫降过程中应该受到较小的加速度响应和姿态角变化为依据,通过对比分析计算结果,最终给出12°姿态角、起落架收起为最优迫降状态的结论,为飞机迫降的入水姿态提供技术支持。     

某型客机水上迫降的着水冲击力学性能数值研究

数值模拟某型客机在平静水面上的迫降过程,研究俯仰角对着水冲击力学性能的影响规律。控制方程选为非定常不可压缩流动的RANS方程和标准k-ε湍流模型,使用VOF方法捕捉自由水面,利用动网格技术处理飞机和水面之间的相对运动。俯仰角增加,飞机水上迫降过程中的最大纵向力单调增加,最大法向力、最大低头力矩和表面最大冲击压力均先增加后减小,因此该飞机适宜以较大俯仰角进行水上迫降。     

基于SPH法的民用飞机水上迫降载荷计算方法研究

采用SPH（光滑粒子流体动力学）算法,通过建立飞机水上迫降的有限元模型,分别求出了各种工况下的飞机所承受的水载荷大小和分布,判断出了飞机的最初着水点及最大水载荷位置,并对结果进行了比对,为水上迫降程序的制定提供必要的技术支持。     

飞机简化模型水上迫降入水的数值研究

在飞机水上迫降过程中,其尾部吸力对姿态角的变化具有重要影响.基于Fluent软件,利用动网格技术、用户自定义函数(UDF)、六自由度(6DOF)模型、流体体积(VOF)模型,首先对二维圆柱、三维椭圆抛物体垂直入水以及三维平板水平划水进行数值模拟,并与试验结果对比验证模拟方法的可靠性;然后对NACA TN 2929简化飞机模型进行水上迫降数值模拟.研究发现:尾部吸力使飞机俯仰姿态角发生剧烈变化,入水初期尾部吸力产生的抬头力矩使飞机姿态角快速增加,当姿态角达到最大时,尾部吸力产生的抬头力矩很小,在重力作用下飞机姿态角快速减小.本文所采用的三维数值模拟方法能够较好地模拟飞机水上迫降过程中的吸力和姿态角变化.     

马航事件对中国民航的影响预测

<正>3月8日以来,马航MH370失联事件牵动了世界各地人士,尤其是海内外华人的心,成为1个多月以来各类媒体持续跟踪的焦点,关于马航失联的每一条消息都引起人们的高度关注。相比其他热点新闻事件,马航事件前后的扑朔迷离固然是一方面,民肮运输对于安全性的高度敏感也是一方面。当前失联事件的最终起因依然尚未水落石出,已经再度引发了大众对于"飞机与火车哪个安全"、"飞机失事的概率"以及"飞机失事后快速逃生指南"等诸多民航安全性问题的热议。马航事件后,民航局快速做出     

整体运动网格法在飞机水上迫降模拟中的应用

对NACA TN 2929模型的水上迫降性能进行数值模拟研究。采用有限体积法求解RANS方程和r-k-ε湍流模型,采用VOF方法捕捉水气交界面,采用六自由度模型和整体动网格技术处理飞机和水面之间的相对运动。在计算过程中,整个计算域内的网格都随飞机做刚体运动,从而有效避免了传统变形网格技术中的计算成本高、网格质量低的问题。利用该数值方法首先模拟了二维圆柱自由落体入水冲击,计算结果和实验数据吻合较好;然后详细研究了NACA TN2929模型各部件在水上迫降过程中的作用,计算结果表明在分析飞机水上迫降性能时,气动载荷的影响不可忽略。     

基于真实道面模型的机轮滑水行为影响因素

湿滑条件下飞机着陆安全性一直是航空安全领域的研究重点。采用数值模拟方法研究了机轮在湿滑道面上的滑跑过程，基于空客A320型飞机的机轮子模型，建立了具有不同胎面花纹特征的机轮模型，并对胎面花纹进行了精细化处理；采用光学扫描及三维重构的方法，构建了具有SMA-13沥青道面纹理特征的道面模型；结合Heinrich橡胶材料与粗糙道面的接触模型，建立了机轮橡胶与机场道面的接触模型，并实现了橡胶胎面与道面间的接触；运用欧拉-拉格朗日(CEL)算法实现了水膜与道面、机轮间的流固耦合模拟。基于提出的机轮滑水有限元模型，用道面与机轮的接触力、临界滑水速度等特征指标分析了飞机滑跑速度、水膜厚度、机轮荷载、胎面花纹和机轮胎压等因素对机轮滑水性能的影响。     

海上搜救航空器的未来发展

在马航MH370搜救行动中,各国出动了巡逻机、运输机、直升机和空中预警机进行搜索,但依然无功而返。这就说明现有的航空器存在不足,难以满足现实搜救行动的需求,而各国发展新型海上搜救航空器或许可以破解这一难题。     

MH370启示录:未来国际空管之鉴

<正>马航MH370失联事件已经过去百日的时间,虽然历经搜索的曲折,但事件所引起的关注度已然逐渐下降,然而对事件的猜测却从未停止。美国记者奈杰尔·考索恩撰写的新书《MH370之谜》称,MH370是被正在演习的美国和泰国机群击落,并在事后故意将搜救人员引向错误的方向,以便掩盖罪行。关于此的主流臆测还有马来西亚内部问题猜测说、美国导演说、恐怖劫机说等等,然而最现实的问题——"飞机去哪了"和如何避免类似     

民用飞机水上迫降数值仿真方法研究进展

水上迫降是飞机设计时必须要考虑的一种应急着陆场景,总结水上迫降研究领域的数值仿真方法,能够为民用飞机设计中的水上迫降分析提供支撑。本文综述了国内外在民用飞机水上迫降数值仿真方法上的研究进展,主要包括面元法、有限体积法、光滑粒子水动力学法和有限元法;对这些方法的基本原理、发展过程和应用情况进行了归纳总结,对不同方法的适用性和优劣性进行了对比分析;通过对水上迫降数值仿真方法的分析,对数值仿真方法未来的研究方向提出了建议。     

用SPH和有限元方法研究鸟撞飞机风挡问题

鸟与飞行中的飞机相撞是飞机结构损坏的重要因素,严重时会引发机毁人亡的灾难性事故。对高速低空飞行的军用飞机而言,风挡部分抗鸟撞的研究对保证飞行安全尤其重要。基于飞机圆弧风挡受鸟体撞击的实验观察,建立了国产某型军用飞机圆弧风挡及鸟体的计算模型,采用LS-DYNA3D中有限元和光滑粒子流体动力学(SPH)耦合的数值分析方法,对某飞机圆弧风挡受鸟体撞击的过程进行了数值模拟。计算结果得到了风挡结构的变形、位移和应变等几方面的数据,与实验结果基本吻合。同时,给出了500～650km/h速度范围内的撞击力和应力时程曲线、风挡发生破坏的临界撞速、圆弧风挡经受鸟体撞击时发生破坏的可能位置及其破坏方式。最后,与鸟体采用任意拉格朗日(ALE)和无网格伽辽金方法(EFG)进行了对比,验证了SPH方法在分析鸟撞问题中的优越性。研究结果为风挡的安全设计和研制新机型提供了有价值的数据。     

Full-scale crash test and FEM simulation of a crashworthy helicopter seat

Crashworthy seat structure with considerable energy absorption capacity is a key component for aircraft to improve its crashworthiness and occupant survivability in emergencies.According to Federal Aviation Administration(FAA) regulations,seat performance must be certified by dynamic crash test which is quite expensive and time-consuming.For this reason,numerical simulation is a more efficient and economical approach to provide the possibility to assess seat performances and predict occupant responses.A numerical simulation of the crashworthy seat structure was presented and the results were also compared with the full-scale crash test data.In the numerical simulation,a full-scale three-dimensional finite element model of the seat/occupant structure was developed using a nonlinear and explicit dynamic finite element code LS-DYNA3D.Emphasis of the numerical simulation was on predicting the dynamic response of seat/occupant system,including the occupant motion which may lead to injuries,the occupant acceleration-time histories,and the energy absorbing behavior of the energy absorbers.The agreement between the simulation and the physical test suggestes that the developed numerical simulation can be a feasible substitute for the dynamic crash test.      

带油箱结构的机身框段坠撞仿真分析

 主要研究了任意拉格朗日/欧拉耦合方法计算带油箱的机身框段的坠撞过程。首先,建立了带油箱结构的机身框段坠撞分析模型,包括机身框段结构模型和欧拉流体模型。采用水代替油箱内部燃油,考虑了不同装水量对机身框段耐撞性的影响。分析了坠撞过程中的液体晃动和泼溅与机身坠撞响应的影响,给出了装水量和机身框段最大垂向压缩位移、最大过载和能量吸收等参数之间的关系。通过仿真分析,揭示了冲击载荷作用下油箱内部燃油量对机身框段各个部分结构的损伤破坏的影响。研究指出,在垂直撞击环境下,机身加强框和蒙皮是主要的吸能结构。在油箱内装水量多的情况下,油箱结构的吸能作用不能忽略。给出了应急着陆或可生存坠撞事故发生前,飞行员所应采取的紧急措施。     

Effect of pitch angle on initial stage of a transport airplane ditching

Airworthiness regulations require that the transport airplane should be proved to ensure the survivability of the ditching for the passengers. The planned ditching of a transport airplane on the calm water is numerically simulated. The effect of pitch angle on the impact characteristics is especially investigated by a subscaled model. The Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) equations of unsteady compressible flow are solved and the realizable j-e equations are employed to model the turbulence. The transformation of the air-water interface is tracked by volume of fluid (VOF) model. The motion of the rigid body is modeled by dynamic mesh method. The initial ditching stage of the transport airplane is analyzed in detail. The numerical results show that as the pitching angle increases, the maximal normal force decreases and the pitching motion becomes much gentler. The aft fuselage would be sucked down by the water and lead to pitching up, whereas the low horizontal tail prevents this trend. Consequently, the transport aircraft with low horizontal tail should ditch on the water at an angle between 10 and 12 as a recommendation.     

基于PAM-CRASH的蒙皮典型结构高速冲击仿真

以典型蒙皮结构为研究对象，分别对由2024－T3铝合金和碳纤维复合材料交替层压而成的FMLs以及2024－T3铝合金蒙皮进行高速冲击有限元仿真，并进行了损伤对比。其中，铝合金层和碳纤维层均采用最大应变准则。利用碰撞模拟分析软件PAM-CRASH以及采用SPH弹体对冲击模型进行仿真，结果显示在相同冲击能量下，加了支承结构的蒙皮在损伤抗性方面有了明显提升，并在此基础上分析不同的纤维铺层角度和铺层方式对FMLs蒙皮性能的影响。     

民机侧壁板结构鸟撞动响应分析研究与优化设计

参考某民用客机座舱盖侧壁板结构的三维模型,基于鸟撞事故过程的特点与规律,在PAM-CRASH环境中建立了有限元鸟撞模型,计算所得的结果与试验结果吻合较好。根据分析结果,提出了几种侧壁板抗鸟撞设计的优化方案。从装配协调、结构重量损失等各方面比较了各种优化方案,通过有限元鸟撞模型对各方案抗鸟撞性能进行了动响应分析、比较。分...