大型民机襟翼间交联系统设计方法研究

周晓宸, 罗宇波, 薛璞, 陆建国

1.西北工业大学 航空学院, 陕西 西安 710072;2.陕西省冲击动力学与工程应用重点实验室, 陕西 西安 710072; 3.上海飞机设计研究院, 上海 201210

襟翼系统能显著增大飞机起降阶段机翼最大升力,提高飞机起降性能,还有利于提高巡航阶段机翼翼型的气动效率,目前已成为大型民机的标准配置。通常,大型民机的每侧机翼上均设置有多个襟翼,这些襟翼由独立的襟翼驱动单元同步驱动[1-4]。

襟翼系统提高了大型民机的飞行效率,但是它的故障也会严重影响飞机的飞行安全。为了提高系统的安全性和可靠性,针对襟翼系统故障的研究非常重要[5]。根据文献[6]对襟翼故障的说明,“有几种故障情形较易发生且必须被考虑:襟翼在飞机飞行时发生的结构失效;飞机在巡航阶段襟翼非正常放出以及飞机在起飞和降落时襟翼的收放故障。同时,襟翼系统最易出故障的地方是襟翼支撑结构和驱动单元。”为了在襟翼支撑结构或襟翼驱动单元发生故障的情况下保证飞机的飞行安全性,在相邻的襟翼之间安装保护机构,称作襟翼间交联系统(ICS)。当襟翼系统发生故障如某一驱动单元脱开时,其他驱动单元及襟翼系统结构受到冲击,威胁襟翼系统安全。在这种情况下,ICS能为襟翼系统提供新的传力路径,降低襟翼系统的强度风险,避免损害襟翼机构。在我国大飞机快速发展的背景下,非常有必要开展相关的ICS研究,从而为我国大型民机襟翼系统的设计提供技术支持,同时ICS设计也是我国飞机设计领域急需解决的一个研究重点和难点。本文对ICS的设计方法开展研究,提出ICS的设计参数,明确ICS对吸能元件的吸能特性要求,并评价ICS对襟翼系统的故障抑制。

1 襟翼间交联系统基本构型与工作原理

ICS是一种在襟翼故障时,减小襟翼故障载荷维持襟翼功能的冗余设计。作为冗余设计,在襟翼系统正常工作过程中,ICS应避免对襟翼系统产生影响;而一旦襟翼故障发生后,ICS应起到2种作用,一是在内外襟翼之间增加传力路径,限制故障工况下内外襟翼的相对运动,保持内外襟翼运动的同步性;二是通过ICS内部的吸能装置吸收襟翼系统中的冲击能量,减小襟翼系统中的故障载荷,确保襟翼系统安全性和可靠性。多年以来,国内外的研究人员提出了多种ICS设计以实现ICS的主要功能。可以将这些ICS主要分为连杆型、套简型、杵架型3类。

1.1 连杆型ICS

连杆型ICS[7-8]通常以连杆和铰链组成,通过铰链的旋转避免对襟翼系统正常运动产生影响。连杆型ICS结构简单,仅能实现增加传力路径的功能,不能吸收襟翼系统故障工况下冲击能量。此型属于ICS的早期设计,如图1所示。

图1 内外襟翼交联机构[7]

1.2 套筒型ICS

套筒型ICS[9-11]的典型结构由内外套筒组成,内外套筒间保留自由行程,避免影响襟翼系统正常运动。当内外襟翼运动不同步过大时,内外套筒相互卡死,以限制故障进一步发生,并提供新的传力路径。同时,内外套筒之间往往还设立了吸能元件,在故障发生时,起吸收冲击能量、降低故障载荷的作用,如图2所示。

图2 有阻尼件的襟翼连接装置[11]

1.3 桁架型ICS

桁架型ICS[12]由几组连杆和铰链组成,通过对多组连杆系统的合理设计,实现对大型民机襟翼系统适配。2009年,美国专利局公开的专利介绍了一种应用于大型民机的襟翼间交联系统,如图3所示。

在国内研究者方面,中国商飞[13]于2017年公布的一种套筒型的内外襟翼交联装置,如图4所示。该装置由同轴的活塞杆(1)和活塞筒(2)组合而成,当某一襟翼发生故障时,内筒之间产生相对运动,外套筒内侧的挤压面和内套筒外侧的挤压面互相挤压产生轴向力,以实现运动缓冲,同时挤压面之间的锯齿抱紧,可以实现逆向锁死功能。

图3 应用于大型民机的襟翼间交联系统[12]

图4 内外襟翼交联装置[13]

此外黄勇等[14]还对某型飞机襟翼系统脱开故障工况下,有交联机构的襟翼系统故障载荷进行了分析。但是并未对交联机构作用效果的影响因素作进一步分析。

2 襟翼间交联系统的设计与襟翼故障工况的仿真分析

2.1 襟翼间交联系统的设计方法

本研究建立了襟翼系统的刚柔耦合多体动力学模型,其中襟翼、滑轨、驱动杆、摇臂等部件设为柔性体,而滑车被设为刚体,如图5所示。在多体动力学商用软件Adams中,对襟翼系统模型进行刚柔耦合多体动力学分析。

图5 襟翼系统多体动力学模型

通过襟翼系统正常工况下的刚柔耦合动力学分析,得到内外襟翼由于运动机构差异和气动载荷作用导致的ICS安装点距离发生变化,如图6所示,说明内外襟翼并非完全同步运动，并可确定ICS的临界位移。

图6 ICS安装点距离变化

ICS中吸能元件的平均压溃载荷是ICS的另一个主要设计参数。如果平均压溃载荷过低,会导致ICS吸能行程过大;而平均压溃载荷过高,则可能无法触发ICS中的吸能元件,达不到ICS的设计目的。

交联系统中的吸能元件特性曲线如图7所示。当ICS位移量到达临界位移后,吸能元件开始工作,并维持平均压溃载荷。

图7 吸能元件特性曲线

通过模拟襟翼系统单驱动故障工况 并基于建立的襟翼系统多体动力学模型进行故障工况仿真,得到在单驱动脱开故障的工况下襟翼系统的故障响应。表1中是在不同平均压溃载荷下,襟翼故障工况中ICS的压缩行程、吸收的能量以及交联系统驱动单元扭矩之间的比值。可以看出随着ICS平均压溃载荷的提高,ICS的压缩行程和吸收的能量均逐渐降低,而驱动单元扭矩则变化不大。

在85户调查者中，有高中以上学历的人员占26.2%，其余为初中及以下学历。经营面积在1.33 hm2以上的竹农均为临安农民技术带头人，还有一位获得了省级农技大师的称号。由此说明，只有提高农业生产经营者的科技知识、管理能力等素质，农业规模经营的效益才能得到保证。

表1 不同平均压溃载荷下ICS的压缩行程、吸收的能量及驱动单元的扭矩比值

2.2 襟翼间交联系统的设计

通过2.1节中ICS的设计方法,设计的ICS结构如图8所示。该ICS为套筒型,主要由ICS的内套筒、外套筒和吸能元件构成。

图8 ICS动力学模型

本文ICS中的吸能元件为膨胀管,通过摩擦和材料的塑性变形来耗散能量,其工作原理如图9所示,其实物的变形如图10所示。

图9 膨胀管工作原理示意图 图10 膨胀管变形实物图

根据Liu和Qiu提出的2段式弧形模型[15],膨胀管的平均压溃载荷可以表示为

(2+μ·cotα)

(1)

r2=r0+t0(1-cosα)+

(2)

式中:F和Y分别为膨胀管压缩载荷和膨胀管材料屈服应力;r0和r2分别为膨胀管初始半径和管件膨胀后的半径;t0为膨胀管初始壁厚;α为锥形冲头倒角;μ为冲头和管件间的动摩擦因数。

膨胀管的材料选用铝合金7050,采用双线性本构模型，其材料参数见表2。

表2 AL7050材料参数

使用商用有限元软件Abaqus,对ICS模型进行冲击动力学仿真,得到ICS在冲击工况下的载荷位移曲线图,如图11所示。由于吸能元件的刚度与强度都远小于ICS中的其他部件,ICS的载荷位移特性主要由其吸能元件决定。

图11 ICS的载荷位移曲线

2.3 襟翼系统故障工况下的仿真分析

将上述ICS应用于襟翼系统模型,联合前处理商用软件Hypermesh和多体动力学分析商用软件Adams,对襟翼系统单驱动脱开故障进行仿真。

图12中展示了在襟翼系统故障工况下,ICS安装前后ICS安装点距离变化的对比,以及单驱动脱开后另一驱动单元上驱动载荷的对比。在图12a)中,L1和L2分别为安装ICS前后ICS安装点间距离最大值。可见在安装ICS后,ICS安装点间距离最大值减小了66.2%。说明ICS能够抑制内外襟翼之间运动的不一致性。在图12b)中,M1和M2分别为安装ICS前后襟翼系统驱动单元的驱动载荷峰值。可见,在安装ICS后,襟翼系统驱动载荷峰值减少45.3%。说明ICS起到了吸收冲击能量、降低故障载荷的作用。

图12 襟翼有无安装ICS的响应对比图

襟翼系统在单驱动脱开故障工况下, ICS安装前后各部件的最大应力变化如表3所示。

表3 襟翼系统各部件安装ICS前后最大应力对比

对于与外襟翼相关的部件如外襟翼和3,4号驱动单元,ICS的安装可以大大降低其最大应力水平;而对于与内襟翼相关部件如内襟翼和1,2号驱动单元,ICS的安装则增加了其最大应力水平,但在襟翼单驱动脱开故障中,由于内襟翼上应力水平相比外襟翼较低,其应力水平仍在允许的范围内。在安装ICS后,在襟翼单驱动脱开故障中,整个襟翼系统中的整体应力水平降低。

综上所述,襟翼系统故障发生后,在安装ICS的工况下,内外襟翼之间的相对运动减小,故障襟翼的峰值载荷降低,同时襟翼系统中的整体应力水平降低,避免了襟翼系统在故障后的冲击中进一步损坏。

3 结 论

为了提升大型民机襟翼系统的安全性和可靠性,本研究建立了一种ICS设计方法,并提出了一种ICS的设计方案,通过分析有、无ICS下襟翼系统的故障响应,表明ICS可使襟翼系统故障驱动载荷降低45.3%,内外襟翼间ICS安装点相对运动最大值减小66.2%,襟翼系统应力水平降低,验证了ICS设计的有效性。