民用飞机缝翼密封件挤压和摩擦载荷仿真分析与试验验证

（上海飞机设计研究院，上海 201210）

0 引言

现代民用飞机设计过程中，襟缝翼增升系统在显著增大起降阶段机翼升力的同时还需保证巡航阶段干净机翼翼型的高气动效率。为保证缝翼收起后机翼气动性能，缝翼与机翼固定前缘之间的缝道通常设置橡胶密封件进行密封。该设计会导致在缝翼收上卡位小角度偏转过程中，密封件和缝翼/机翼固定前缘在接触界面上产生挤压和摩擦，产生额外操纵阻力，加重操纵系统受载。同时，由于结冰、外物污染等因素的影响，会进一步加大受载。这部分载荷可统称为“缝翼密封件增量载荷”。

国外民机数据显示该载荷可占到整个缝翼操纵载荷的30%～50%，显著影响整个操纵系统驱动能力需求和缝翼作动器等操纵执行设备的尺寸、重量和性能设计等。目前国内尚未开展“缝翼密封件增量载荷”的相关研究，公开途径也没有可供参考的国外相关资料。

在进行缝翼密封件增量载荷仿真计算主要存在两个难点：密封件、缝翼内翼面/机翼固定前缘均为复杂曲面，且相对运动规律复杂，接触区域难以确定；橡胶密封件为超弹性材料，变形、接触区域、摩擦等均为非线性，使问题的收敛性变得更加困难。此外，目前通用的橡胶材料性能数据难以支持精确计算。本文基于某型民用飞机缝翼密封件增量载荷测量试验，应用ABAQUS分析软件，建立缝翼密封件与缝翼内翼面/机翼固定前缘仿真分析模型，计算缝翼密封件增量载荷。

1 试验设置

为得到密封件的材料性能数据，研究密封件的变形，以及和缝翼内翼面/机翼固定前缘的接触规律，并支持后续仿真模型修正与验证，试验包括下面两个子试验项目：

1）密封件压缩回弹性能和摩擦性能试验，研究橡胶密封件在各种温/湿度下的力学行为和性能，建立橡胶密封件材料性能数据库。

2）缝翼密封件增量载荷测量试验，研究密封件对缝翼密封件增量载荷影响，通过模拟真实飞机的缝翼操纵运动，测量密封件在各种环境因素下引起的缝翼增量载荷大小，用以分析模型的修正和验证。

1.1 密封件压缩回弹性能和摩擦性能试验

试验在橡胶密封件力学性能测试试验台进行，密封件被安装在带滚轮的平台上，试验中通过加载板对密封件进行水平和垂直两个方向的加载，通过垂直加载板上方的力传感器测量密封件正压力，通过水平加载板右侧的力传感器测量摩擦力。除力传感器外，整个测试系统均被置于温湿度环境箱内。

具体试验项目包括：测量密封件在不同环境温度下压缩载荷-位移曲线、密封件-铝板动摩擦性能测试、密封件-复材板动摩擦性能测试。

1.2 缝翼密封件增量载荷测量试验

试验对密封件和翼面进行适当简化处理，密封件分为沿着翼展方向布置的展向密封件和沿着机翼弦长方向布置的弦向密封件。

试验在专门设计的密封件挤压和摩擦扭矩测量试验台[1]进行，试验台设计如图1所示。为能够真实模拟缝翼运动，采用齿轮齿条组件驱动缝翼样件运动：将机翼固定前缘样件安装在底座上，缝翼样件与齿条固连，通过控制系统控制伺服电机转动，带动齿轮转动，驱动齿条运动，实现缝翼样件的旋转。齿轮与电机之间的传动轴上安装有扭矩传感器，可以实时测量并记录缝翼样件运动过程中的驱动扭矩。

图1 缝翼密封件增量载荷测量试验示意图

2 仿真分析

2.1 缝翼密封件本构建模

密封件主要由橡胶构成，橡胶的本构模型一般以连续介质力学为假设，采用唯象理论揭示橡胶的应力应变行为。基于连续介质力学中各向同性和无初应力假设,橡胶的应变能函数W可以表示为应变张量不变量的函数。根据应变能函数W不同，目前比较有代表性的模型有：Mooney-Rivlin模型[2]，Ogden模型[3]、Yeoh模型[4]、Neo-Hookean模型[5]等。

结合密封件的变形规律和试验设置，本文采用Neo-Hookean模型描述密封件的力学性能。该模型的稳定性较好，且一种变形方式下的应力应变曲线拟合的材料常数能用来预测其他变形方式的应力应变曲线[6]。

在平板压缩作用下，密封件网格和计算结果如图2所示，其载荷位移曲线与实验对比如图3所示。可见，数值计算结果能够与试验结果较好地吻合，Neo-Hookean模型能够较好的描述密封件力学性能。

图2 密封件平板压缩仿真计算结果图

图3 密封件载荷-位移曲线试验与计算对比

2.2 缝翼密封件增量载荷仿真分析

由于密封件刚度相对于缝翼和机翼前缘蒙皮刚度很小，故采用离散刚体曲线来表示缝翼内翼面曲线和机翼固定前缘外表面曲线，即认为密封件被挤压和摩擦过程中，蒙皮不发生变形，而密封件发生变形。

密封件有限元模型分别如图4和图5所示，密封件尾部与缝翼内翼面通过tie单元连接来模拟实际密封件的装夹。密封件与缝翼、机翼前缘的其他可能的接触区域，均设置了接触条件：无侵彻、摩擦系数参照试验测量结果选取。

图4 展向密封件有限元模型

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图5 弦向密封件有限元模型

通过仿真计算得到的缝翼密封件增量载荷与试验结果吻合的较好，结果对比如图6所示。说明本文的仿真方法可比较准确的得到密封件增量载荷。

3 结论

本文在橡胶密封件的材料性能研发试验和密封件扭矩载荷测试试验项目基础上，建立密封件与缝翼内翼面/机翼固定前缘接触仿真分析模型，能够描述橡胶密封件复杂的接触现象，较准确的计算缝翼密封件增量载荷。

按本文所述方法计算的缝翼密封件增量载荷与国外相似机型相比趋势相同，数值相近，提升了对民用飞机缝翼操纵载荷的预测水平，降低飞机缝翼操纵系统设计风险，有效的缩小与国际先进水平的差距。

图6 密封件增量载荷计算与试验结果对比

[1]杨万里,丁玉波,章仕彪,等.一种民用飞机缝翼密封条扭矩载荷测试装置:中国, ZW15030091[P].2015.9.24.

[2]Rivlin R S.The elasticity of rubber[J].Rubber ChemistryAnd Technology,1992,65(3):51-67.

[3]Ogden RW, Roxburgh DG.A pseudo-elastic model for theMullins effect in filled rubber[J].Proc R Soc Lond Ser A,1999,455:2861-2877.

[4]Yeoh OH. On the Ogden strain energy function[J].RubberChemistry and Technology,1997,70(2):175-182.

[5]MetcalfeR,Baset SB, Lesco R, et al. Modeling of space shuttlesolid rocket O-rings[A].12th International Conference on FluidSealing. Brighton,UK[C],1989.3-25

[6]李晓芳,杨晓翔.橡胶材料的超弹性本构模型[J].弹性体,2005,15(1):50-58.