结构动力学在飞机设计中的应用技术研究

中航飞机研发中心结构所 崔青青 张 芸 金功耀 秦存峰

结构动力学在飞机设计中的应用技术研究

中航飞机研发中心结构所 崔青青 张 芸 金功耀 秦存峰

飞机结构在应用过程中，由于频繁受到不同类型的动荷载作用，导致结构出现动强度损坏。虽然近些年飞机性能在逐步提高，但是各冲击作用类型和振动激励却愈演愈烈，给飞机飞行安全带来严重的威胁。文章就以在飞机设计中遇到的一些结构动强度方面的问题着手，利用相关的动力学理论、有限元分析法以及地面共振试验，提出解决对策，以期能够为飞机设计做出一点贡献。

结构动力学；飞机设计；应用技术

飞机结构在应用过程中,由于频繁受到不同类型的动荷载作用,导致结构出现动强度损坏。虽然近些年飞机性能在逐步提高,但是各冲击作用类型和振动激励却愈演愈烈,给飞机飞行安全带来严重的威胁。此外,这些因素造成的危害不但和飞行环境、飞机运动状态有一定的关系,而且和飞机结构的动态特性也存在较大的联系。所以,给予飞机结构动强度高度重视是十分有必要的。

1 带外挂着陆动力响应分析技术

在飞机结构设计中,应用带外挂着陆动力响应分析能够保证飞机飞行的安全性。由于机翼外挂中心和挂点间的距离过大,进而给飞机着陆留下安全隐患,所以探讨着陆响应问题是十分有必要的。

1.1 主要技术分析

第一,结合地面共振试验得出的结果,对机翼与外挂间连接的刚度系数进行修正;第二,设计有限元模型时,需要探究起落架缓冲器的非线性特性,并对其进行模拟;第三,利用模态法结合MSC/NASTRAN软件进行求解;第四,采用虚拟支持技术,同时结合大质量法,不但能够施加基础激烈运动,而且还可以使自由体状态的飞机消除刚体运动带来的影响。

图1 机翼挂位挂点处动力响应时间历程曲线

1.2 结果分析和结论总结

在该分析模型中,飞机变成了一个包含外挂物的多自由度弹性体系,而且起落架缓冲期自身包含的非线性特性需要应用大质量法与模态法,进而能够全面分析自由状态下的飞机带外挂着陆动力响应。其中机翼挂点位置加速度响应曲线可以参见图1。通过分析模型得出的结果可以知道,全机带外挂着陆安全性较强,进而解决了多年来的工程应用难题。

2 飞机机背油箱随机振动分析技术

作为金属薄壁结构,机背油箱主要是用来贮存燃油,进而提高飞机的生存力。机背油箱是参照气动外形来设计的,不但需要承受重复的冲压载荷,满足静强度的各项要求,而且在机动飞行状态下还必须承受恶劣环境带来的影响。所以为了以防油箱出现泄漏的现象,保证飞行安全,需要随机展开振动响应分析,挖掘出机背油箱动强度薄弱环节,进而使油箱动力学品质得到大幅度提升。

2.1 主要技术分析

第一,通过分析、整理、归纳机背油箱飞行任务剖面的实测数据,获得随机的振动载荷谱;第二,利用MSC/NASTRAN软件,对机身结构与油箱底部接头位置的强迫运动进行模拟,其中机背油箱有限元模型具体可以参见图2;第三,针对机背油箱的流-固耦合问题,可以应用虚拟质量法来解决。

图2 机背油箱有限元模型

2.2 结果分析与结论总结

第一,通过分析可以得到油箱结构在载油和无油状态下,其应力响应功率谱密度曲线和对应的实际均方根值,进而发现油箱应力严重部位,即图2中B与C间油箱底部位置;第二,分析结果基本上和试验所得结果相吻合,证明该模型可行性较高,为油箱设计的改进体统理论依据;第三,为求解金属油箱流-固耦合随机振动响应提供实用技术。

3 舵面FES试验动力学仿真

先进复合材料的优点较多,具体包含：比刚度高、比强度高、重量轻、设计性强等,因此在飞机结构设计中被广泛应用,特别是广泛应用于副翼、方向舵等一级舵面部件。而且伺服作动器尺寸小、重量轻、抗负载刚性大、反应快,在现代飞机主动控制技术中发挥着重要的作用。通过先进材料、先进控制技术和新型结构形式共同构成的系统,能够在一定程度上改变舵面扭转、弯曲的比例和耦合关系,进一步提升飞机控制系统的控制性、稳定性和灵活性,为飞机的安全飞行提供保障。该研究项目首先从地面FES试验着手,用动力学数值仿真分析复合材料蜂窝夹层舵面的FES激励,必须要充分了解该舵面的振动特性,仔细挖掘对舵面振动响应影响最大的因素,从而对舵面机上FES试验做出一些建设性的指导,实现有效控制舵面振动的目标。

3.1 主要技术分析

第一,把伺服作动器转化成二阶线性系统,再利用该系统进行函数传递,算出输出响应,将其当作载荷激励仿真分析的条件;第二,通过地面共振试验得出相应的数据,利用该数据修正舵面支持刚度;第三,利用MSC/ NASTRAN软件,结合大质量法,对舵面FES试验进行动力学仿真分析。其中,舵面有限元模型具体可以参见图3。

图3 舵面有限元模型

3.2 结果分析与结论总结

第一,在充分了解舵面结构的基础之上,对其应力响应功率谱密度曲线图进行分析,确定对该动力响应影响最大的因素,最终发现舵面旋转频率是最敏感的因素;第二,利用仿真分析确定的结果和FES试验得出的结果基本一致,响应峰值分布趋势也没有区别,由此表明该计算模型的可行性较强;第三,利用伺服作动器的频响规律确定舵面偏度和FES激励频率的范围,从而对舵面振动进行抑制。

4 未来发展的方向

随着科学技术的日新月异,飞机结构强度分析与试验技术也在日趋完善,结构动力学开始广泛应用于飞机设计领域,同时各项技术水平也得到了突飞猛进的发展。比如,在飞机动态试验仿真分析技术、复杂结构动力学分析、大型结构振动试验设计技术、复合材料结构动力学研究、机载设备力学环境条件的设计与应用、飞机声疲劳寿命、噪声预计等方面都取得了一定的成绩。但是结构动力学目前还处于发展阶段,并不完善,所以飞机在结构动力学设计方面仍然存在较多的问题,需要研究人员进一步探讨。比如,边界条件的模拟仍然存在较大的难度,不能准确地分析大型复杂结构的动力响应;振源过于复杂,不能准确地描述出各种荷载;不能对复杂结构的阻尼性进行确定。当前,振动疲劳寿命预计法、结构振动疲劳破坏机理、动强度判据与准则等,己经成为未来飞机动力学技术发展过程中亟待解决的问题。

其中,在飞机结构动强度技术领域,一些具有创新性的应用技术也开始应运而生：第一,在现代设计技术中,结构动力学技术所占的比重逐步增加,最终形成了现代受动力荷载结构动力学技术;第二,结构动力学技术合适和现代控制技术交融在一起,形成了结构主动控制技术和自适应控制技术;第三,结构动力学技术逐步与疲劳技术互相渗透,产生结构动态断裂和振动疲劳技术。各项新技术的发展在一定程度上扩展和丰富了结构动力学理论,在飞机结构设计中科学利用这些技术与理论,有效解决各种结构动力学问题,是飞机科研人员不断努力的方向。

综上所述,随着社会的进步、现代科学技术的不断发展,各项新技术的不断诞生,结构动力学也在不断的改进、完善和进步,我们应相信,在飞机科研人员的努力下,通过不断的探索和研究,结构动力学将会更加完美的运用在飞机的设计中。

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