某型飞机水上迫降数值化模型

近海/跨海使用的飞机必须考核水上迫降性能,而目前飞机抗坠毁标准、设计方法和分析方法通常只考虑硬着陆情况,很少考虑水面迫降情况,这是由于水上迫降涉及多场耦合,问题十分复杂.为了简化问题,采用了解耦的方法,将仿真与试验相结合,利用MSC.PATRAN/DYTRAN软件平台,建立全机有限元模型,包括全尺寸机身、机翼和尾翼结构,并导入具体参数,对13种工况条件进行了动力学数值仿真计算.预测了飞机撞击水面过程中结构的瞬态应力分布,对飞机机身下部蒙皮进行了强度分析,表明飞机在着水过程中蒙皮不会发生损坏.      

返回舱垂直自由入水砰击过程的数值模拟

文章数值研究返回舱垂直自由入水砰击过程中水气流场与返回舱运动之间的动力学与运动学耦合问题。水气两相流的流动方程选为非定常雷诺平均Navier-Stokes(URANS）方程和Realizable k-ε湍流模型,返回舱的运动方程选为刚体的一维平动方程,水气交界面的追踪采用流体体积函数（VOF）方法,返回舱与水面之间的相对运动采用动网格技术实现。在计算方法得到试验验证的基础上,数值研究了返回舱的不同触水速度、质量对入水过程中砰击力、加速度等参数的影响规律;给出了入水过程中加速度峰值与触水速度及质量之间的定量关系式;发现了返回舱底部的入水砰击压强峰值发生在入水初期,且压强峰值始终位于喷溅射流的根部。     

主起落架可控变速收放作动器设计与仿真

传统的起落架收放液压系统在使用中缺乏可控性,按照起落架收起时飞机极限过载设计的起落架收放液压作动器在常见的小过载工况下可能产生较大的冲击。提出了一种用于主起落架的可控变速收放作动器的概念设计,使用双向比例节流阀根据过载大小调节阻尼作用。结合起落架收放机构多体模型和收放作动器液压模型,对不同过载工况下主起落架收起的动力学过程进行了仿真分析。与常规设计相比,在一定的设计约束下降低了支柱终止速度、回油压力峰值和结构冲击。研究了变速收放作动器输入压力和进回油油路阻尼相对大小对仿真结果的影响。提出了一种改进的可控变速收放作动器设计,利用惯性力的作用进一步降低了起落架收起时的作动筒载荷峰值和冲击。      

锥头圆柱体高速入水空泡数值模拟

采用流体体积法（VOF,Volume of Fluid）多相流模型,引入动网格技术,对锥头圆柱体垂直自由高速入水问题开展了数值模拟研究,分析了航行体入水后速度及入水空泡形态的发展规律,并与文献基于能量守恒定律的理论结果进行比较,两者吻合较好.研究结果表明,高速入水初期,结构受到极高的冲击载荷,导致速度迅速衰减;随着入水深度的增加,空泡不断拉长并向径向扩张,空泡内空化现象明显,空泡内混合相对空泡壁及空泡分离点附近压力分布影响显著.对于不同速度入水的研究结果表明,入水速度越高,航行体头部压力峰值越大,相同时刻入水空泡最大直径也越大.      

基于边界元法的三维结构体滑跳运动数值仿真

利用滑跳运动实现近水面高速机动飞行的击水式飞行器是近年来的热点问题，三维结构体高速斜入水冲击载荷求解是滑跳运动数值仿真的关键步骤。针对滑跳运动开展研究，建立了一种基于边界元法的可以考虑结构弹性效应的三维结构体近水面滑跳运动时域数值仿真方法。高速斜入水冲击载荷由边界元法求得，利用状态方程直接积分法求解得到结构节点位移动力响应，并通过滑跳运动动力学模型更新结构体的质心位置及运动速度。针对钢球高速斜入水冲击现象进行数值仿真并与试验结果对比，验证了所提方法的准确性。开展三维刚性球冠体的近水面滑跳运动时域数值仿真和变参分析，得到了结构质量、初始高度、水平抛出速度和半径大小4种参数对球冠体滑跳运动的影响规律。考虑结构弹性效应后，高速斜入水冲击载荷减小，对球冠体滑跳运动也有一定影响。      

翼型波浪水面巡航地面效应数值模拟

数值求解非定常不可压缩流动的雷诺平均N-S(Navier-Stokes)方程和标准k-ε湍流模型,用VOR(Volume Of Fluid)方法模拟波浪水面,模拟了NACA2410翼型在波浪水面上方飞行的流场.研究了余弦波浪水面的生成方法,选取合适的计算网格和时间步长,避免了在生成规则余弦波浪水面时由于数值耗散使波面形状衰减.比较了固壁波浪与水面波浪计算结果的差异,发现固壁波浪的结果更接近余弦曲线分布.研究了波浪等级对翼型气动性能的影响,分析计算结果发现:在规则的余弦水面波浪上方飞行,翼型气动力呈现周期性,给出了一个周期内气动力的变化过程,以及波长和波幅对气动力平均值和波动幅度的影响规律.      

翼型近波浪水面气动特性研究

采用求解Navier-Stokes方程的数值方法研究了翼型NACA4412近距离经过波浪水面时的气动特性。对数值方法的准确性进行了验证。计算了翼型经过波浪水面和固壁波浪地面2种边界条件下的气动力系数,并进行了对比。研究结果表明:翼型在经过波浪水面时气动力系数会发生周期性的变化,与固壁波浪的情况相比,气动力的变化曲线存在显著差异,波动幅度更大。通过对流场结构的分析,发现了翼型和波浪水面之间的作用机理。波浪水面的质点存在竖直方向上的运动,在小地面间隙时,水面质点向上运动会挤压翼型和水面之间的空气,从而造成翼型气动力大幅波动。同时解释了来流速度越大,气动力系数波动幅度减小的原因。      

支柱式沉浸水橇降载性能相关影响因素

支柱式沉浸水橇可降低水陆两栖飞机着水运动中的冲击载荷,其降载效果与水陆两栖飞机的运动参数有关。利用一般耦合算法对水陆两栖飞机着水运动进行仿真,并将结果与相关试验值比对以验证仿真方法的有效性。采用此方法研究了水橇着水角、飞机着水水平速度与飞机着水垂向速度对支柱式沉浸水橇降载性能的影响。结果表明:水橇着水角、飞机着水水平速度与飞机着水垂向速度对水橇降载性能影响显著,合理地控制水橇的着水角与速度,可获得良好的降载效果。      

锥形物体对月壤冲击过程的试验及离散元分析

月球探测器着陆过程中着陆器足垫首先与月壤接触,因此,足垫的动力响应直接关系到探测设备的安全着陆及后续工作的实施。采用试验和离散元数值模拟的方法,以锥形物体代替实际足垫,对冲击模拟月壤过程中锥形物体的锥角和冲击速度及质量的影响进行详细研究。离散元模拟获得的结果与试验结果一致。研究结果表明,冲击速度和质量决定了锥形物体与模拟月壤颗粒之间的动量转移,对冲击过程有很大的影响;当采用不同锥角的锥形物体冲击时,由于锥形物体与颗粒介质接触面积的影响,随着锥角的增大其冲击深度和冲击时间均减小,而锥形物体受到的冲击力峰值逐渐增大。此外,对冲击过程中颗粒的速度矢量进行讨论,从细观角度对颗粒介质在冲击载荷作用下的动力特性及颗粒间的相互作用进行探讨。以上结果对航天着陆器的着陆过程的研究提供了理论依据,并且对利用特种设备在月球表面进行贯入探测具有一定的参考价值。     

鸬鹚起飞阶段的脚蹼力学建模及运动学计算

鸬鹚在水面起飞的过程中,进行周期性扑翼运动的同时,其脚蹼也不断进行周期性拍水运动。为探究脚蹼周期性拍击水面对鸬鹚水面起飞的贡献以及定量计算每个拍水周期中脚蹼力的大小,探讨了鸬鹚起飞过程中后肢力量的贡献以及需要腿部力量辅助的原因;同时,比较自然界生物在水面行走或奔跑方式的异同,从而研究鸬鹚等水栖鸟类在水面上连续拍水的机理。通过蛇怪蜥蜴和鸬鹚脚蹼水上运动模式和机理的对比,类比研究脚蹼对水面冲击而产生支持身体冲量的大小与脚蹼在拍水时与水接触变化的过程;定义鸬鹚腿部自由度,建立鸬鹚起飞过程脚蹼周期性拍水运动的运动学模型,分析腿部关节角度与脚蹼中心坐标的D-H矩阵,并研究关节角速度与脚蹼中心速度的雅可比矩阵,通过现有的视频分析验证模型可靠性,并对鸬鹚脚掌运动以及水平、竖直方向的运动做了基本计算。      

含单边非完整约束飞机滑跑的建模与仿真方法

当飞机在地面上滑行时,其运动会受到风载荷和不对称刹车力矩的影响.为分析飞机的动力学行为,给出了一种基于非完整非光滑多体系统动力学的建模与数值仿真方法.将飞机视为由机身和前后起落架组成的多体系统,主起落架的轮子为纯滚动,飞机在地面滑跑时考虑前起落架轮子的侧向滑移.飞机在跑道上滑跑的动力学方程由Routh方程导出,用约束稳定化方法抑制约束的漂移.轮与地面间的摩擦模型为库仑摩擦模型并用集值函数描述,以用于判断前轮是否发生侧向滑移.最后通过数值仿真算例分析风载荷和不对称刹车力矩作用下飞机在跑道上滑行的动力学行为.      

水上飞机水面降落全过程力学特性数值研究

数值方法模拟水上飞机的水面降落运动姿态和受力的全过程,是结合了水汽两相流、运动学和动力学的复杂问题。采用基于Fluent商用软件开发的整体运动网格方法结合VOF方法进行自由面捕捉,采用六自由度模型进行运动状态模拟,对某型水上飞机水面降落的全过程进行了数值模拟,得到了较好的模拟结果,验证了整体运动网格方法在处理水上飞机水面降落问题时具备良好的适应性。通过模拟得到过载曲线、运动状态参数和水面状况,将降落过程划分为冲击、滑水、漂浮3个阶段,并通过对各阶段的分析总结出对水面降落过程的一般性认识,以期为水上飞机的设计研发提供方法和参考。      

基于虚拟样机的飞机起落架着陆时的响应分析

通过建立弹性机体二质量块等效模型,联立飞机侧滑着陆时的补充方程,推导出起落架系统着陆动力学方程.结合建立的数学模型,利用虚拟样机技术,在ADAMS/Aircraft环境中建立具有弹性机体的飞机整机模型,模拟飞机在一点侧滑着陆时起落架系统的动态响应.仿真结果表明在一点侧滑着陆工况下,弹性机体能够增大回复滚转力矩,减小轮胎侧滑,使着陆飞机快速达到对称着陆状态.弹性机体能够吸收、耗散着陆时的冲击能,改善减震器性能,提高乘坐舒适性,为减轻起落架系统重量和进一步改进起落架系统奠定了基础.      

飞机纵向起飞着陆动态特性仿真研究

以刚体系动力学理论为依据,结合飞机起飞着陆运动学特征,建立了起落架-机身组合刚体6自由度全量飞机方程。文内建立的阶跃跟踪驾驶员时域数学模型,有助于评价起飞着落阶段人-机系统的飞行品质。根据该系统的数学模型编制了FORTRAN软件,并对起飞着陆动态特性作出了综合的全面的定量分析。     

湿滑跑道飞机着陆轮胎-水膜-道面相互作用

基于飞机在湿滑跑道着陆时轮胎-水膜-道面相互作用流体力学平衡,得到道面积水水膜厚度、飞机行驶速度和轮胎花纹沟槽深度为动水压强的主要影响因素。以波音737-800的主轮胎为主要研究对象,建立轮胎-水膜-道面相互作用三维模型,基于Fluent软件建立三者相互作用有限元分析模型,采用流体体积函数(VOF)法获得轮胎迎水面水流分布情况和平均动水压强,利用上述有限元模型对动水压强影响因素进行规律性分析,得出动水压强的显著影响因素为道面积水水膜厚度和飞机行驶速度,动水压强与水膜厚度及行驶速度呈正相关,水膜厚度大于3 mm时水膜产生的动水压强增长较快,等于12 mm时动水压强达到并超过胎压(1.47 MPa),存在滑水风险。行驶速度小于100 km/h时,动水压强值小于胎压,不存在滑水风险。基于上述分析结果建立动水压强与水膜厚度、行驶速度和轮胎花纹沟槽深度之间的相关关系式,考虑着陆升力的影响,获得不同降雨条件下波音737-800临界滑水速度及着陆距离延长值,为飞机着陆安全行驶提供重要理论依据。     

起落架缓冲器卡滞动态临界摩擦探究

为了探究起落架缓冲器卡滞特性设计准则,以某无人机主起落架为研究对象,依据飞机设计手册第14册中缓冲器卡滞特性分析方法,进行了静态和动态临界摩擦分析.分析表明动态临界摩擦在偏航着陆工况和机尾下沉回弹工况下可能发生卡滞.进而结合起落架落震动力响应曲线分析了动态临界摩擦的物理意义,发现现有飞机设计手册第14册中的动态临界摩擦分析方法卡滞判据并不成立,不应在计算临界摩擦系数时计入油液阻尼力.对于起落架缓冲器某状态时刻的卡滞特性分析,以飞机设计手册第14册中静态临界摩擦进行校核更为准确.