CN104778336A - 一种飞机系留载荷计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于航空技术领域，具体涉及到飞机机体和起落装置在运动平台甲板上驻扎系留时的载荷计算。其特征在于，提供一种普适性强、基于MSC.PATRAN/NASTRAN环境的非线性GAP单元FEM计算分析方法，依据全机系留平衡方程施加外载(包括风载和质量惯性力)，全面、细致地划分系留载荷计算情况，使得在不变更飞机、运动平台甲板模型的前提下，达到软件自动筛选、判别承载系留索和最大系留载荷的目的，提高工作效率和求解精度。

Description

一种飞机系留载荷计算方法

技术领域

本发明属于航空技术领域，具体涉及到固定翼飞机系留载荷计算方法。

背景技术

飞机在运动平台的飞行甲板上、机库内必须采取系留方式锚定，以确保在各级海况的平台运动状态下安全驻扎。以往的陆基飞机通常不设置专门的机场系留装置，一般只用轮挡固定；而用于运动平台服役的飞机必须加设专门的系留装置，并为确保安全，采用具有一定冗余度的设计方案，从载荷强度计算角度，属于多度静不定系留方案。

通过常规有限元法求解静不定系留方案的各系留索载荷，由于柔性系留索只能承受拉伸载荷，而不承受压缩载荷，采用梁元、杆元FEM方法建模计算时，以往采取手动增减单元的试凑法，求解效率差，而且极容易遗漏承载单元。

系留索极度柔软，但又不属于标准的柔性体，具有只能承受拉力的物理特性，且为能量耗散体，这给有限元模型的建立和仿真分析带来了一定的困难。因此，建立符合系留索物理特性的载荷计算方法，准确描述各系留索的载荷分配关系，成为研究的关键。

发明内容

本专利主要针对试凑法存在的问题，提供一种普适性强、基于MSC.PATRAN/NASTRAN环境的非线性GAP单元FEM计算分析方法，依据全机系留平衡方程施加外载(包括风载和质量惯性力)，全面、细致地划分系留载荷计算情况，使得在不变更飞机、运动平台甲板模型的前提下，达到软件自动筛选、判别承载系留索的目的，提高工作效率和求解精度。

本发明的技术方案是：一种飞机系留载荷计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)首先，将系留载荷计算情况划分为：

a)正常气象时，用N_Q条索进行运动平台甲板系留；

b)风暴气象时，用N_Q+2条索进行运动平台甲板系留；

c)发动机试车时，用N_Q+4条索进行运动平台甲板系留；

d)升降平台作业时，用N_Q-2条索进行运动平台甲板系留；

e)调向转盘作业时，用N_Q-4索进行运动平台甲板系留；

其中，N_Q为基本系留索数量，视具体的运动平台和飞机型号而取值不同，一般取6、8、10、12等偶数。正常气象为运动平台甲板风速25m/s(标准、规范设计值)的情况，风暴气象为运动平台甲板风速50m/s(标准、规范设计值)的情况。由于迎风面积的不同，上述每种计算情况还需要继续细分为飞机机翼的折叠与展平两类承受风载状态。

2)建立全机系留载荷平衡关系式：以飞机为研究对象，建立三组平衡方程：

$\left\{\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{T}_i\cos {\mathrm{\α}}_i+F_{w.x}=F_{m.x}\\ \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{T}_i\cos {\mathrm{\β}}_i=0\\ \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{T}_i\cos {\mathrm{\γ}}_i=0\end{array}\right.\left\{\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{T}_i\cos {\mathrm{\α}}_i=0\\ \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{T}_i\cos {\mathrm{\β}}_i+F_{w.y}+G=F_{m.y}\\ \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{T}_i\cos {\mathrm{\γ}}_i=0\end{array}\right.\left\{\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{T}_i\cos {\mathrm{\α}}_i=0\\ \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{T}_i\cos {\mathrm{\β}}_i=0\\ \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{T}_i\cos {\mathrm{\γ}}_i+F_{w.z}=F_{m.z}\end{array}\right.$

上述方程组中，G为飞机重力，T_i为系留载荷，F_w为风载，F_m为质量惯性力，下角标x、y、z表征笛卡儿坐标系的三个空间方向，α_i、β_i、γ_i为系留索的空间方向角；下角标i表征编号为i的系留索。

方程组①是系留索张力与航向风载、航向惯性力的平衡，方程组②是系留索张力与垂向风载、垂向惯性力的平衡，方程组③是系留索张力与侧向风载、侧向惯性力的平衡。各典型计算情况，飞机的质量 力(惯性力)与气动力有不同的作用点，同时实现模拟飞机的俯仰、滚转、偏航转动惯量特性。由于风暴气象条件下运动平台的纵摇、首摇、横摇、纵荡、垂荡、横荡六自由度运动，会出现飞机与运动平台甲板脱离接触的瞬间，此时摩擦力和支持力就不存在了，而这种情况下的系留索张力是最大的。

3)根据上述平衡关系式，将载荷施加到有限元计算模型。建模时，将起落架定义为只能承受压缩载荷的GAP单元，其闭合刚度K_C与张开刚度K_O的比值控制在λ₁＝K_C/K_O≥10000，起落架刚度通过落震试验结果来确定；将系留索定义为只能承受拉伸载荷的GAP单元，其闭合刚度K_C与张开刚度K_O的比值控制在λ₂＝K_C/K_O≤0.0001，系留索刚度通过拉伸试验结果来确定。在软件环境下进行模型计算求解时，必须将软件默认的线性模式调整为非线性模式。

本发明中公式计算涉及的各参数，一部分在飞机总体布局图样中标明，如系留角度、系留点坐标、迎风面积；另外一部分来自运动平台环境检测单元的实时数据，如风速和平台的六自由度运动。

本发明的优点是：

1)本系留载荷计算方法，可以在不变更飞机、运动平台甲板模型的前提下，达到软件自动筛选、判别承载系留索的目的，大大提高了工作效率和求解精度，较“质点-弹簧-阻尼”的处理方式更为简便适用。

2)本系留载荷计算方法，还可从人机工程、系留结构形式、系留操作性等方面对初步系留设计方案进行优化，使系留设备操作方便快捷，提高飞机系留效率。

具体实施方式

下面通过具体的实施例对本发明作进一步详细的描述。

某型飞机，根据本专利计算方法，由系留载荷计算模型得出各种载荷情况输出结果。其中各系留索的方向角如表1，作为设计输入。

表1各系留索的方向角(实测值)

现选取其中4种情况的输出结果，作为实施例如下：

情况1：右侧向风+右侧向惯性力，N_Q＝6，飞机未折叠状态，正常气象系留载荷

$\left\{\begin{array}{c}{T}_1=0N\\ T_2=101600N\\ T_3=0N\\ T_4=102700N\\ T_5=0N\\ T_6=107200N\end{array}\right.$

情况2：右侧向风+右侧向惯性力，N_Q＝6，飞机折叠状态，正常气象系留载荷

$\left\{\begin{array}{c}{T}_1=0N\\ T_2=112800N\\ T_3=0N\\ T_4=114100N\\ T_5=0N\\ T_6=118800N\end{array}\right.$

情况3：逆航向风+逆航向惯性力，N_Q＝6，飞机未折叠状态，正常气象系留载荷

$\left\{\begin{array}{c}{T}_1=40900N\\ T_2=40900N\\ T_3=64700N\\ T_4=64700N\\ T_5=0N\\ T_6=0N\end{array}\right.$

情况4：逆航向风+逆航向惯性力，N_Q＝6，飞机折叠状态，正常气象系留载荷

$\left\{\begin{array}{c}{T}_1=43100N\\ T_2=43100N\\ T_3=69900N\\ T_4=69900N\\ T_5=0N\\ T_6=0N\end{array}\right.$ 。

Claims (2)

1.一种飞机系留载荷计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)首先，将系留载荷计算情况划分为：

a)正常气象时，用N_Q条索进行运动平台甲板系留；

b)风暴气象时，用N_Q+2条索进行运动平台甲板系留；

c)发动机试车时，用N_Q+4条索进行运动平台甲板系留；

d)升降平台作业时，用N_Q-2条索进行运动平台甲板系留；

e)调向转盘作业时，用N_Q-4索进行运动平台甲板系留；

其中，N_Q为基本系留索数量，取6、8、10、12等偶数；正常气象为运动平台甲板风速25m/s的情况，风暴气象为运动平台甲板风速50m/s的情况；由于迎风面积的不同，上述每种计算情况还需要继续细分为飞机机翼的折叠与展平两类承受风载状态；

2)建立全机系留载荷平衡关系式：以飞机为研究对象，建立三组平衡方程：

$\left\{\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{T}_i\cos {\mathrm{\α}}_i+F_{w.x}=F_{m.x}\\ \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{T}_i\cos {\mathrm{\β}}_i=0\\ \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{T}_i\cos {\mathrm{\γ}}_i=0\end{array}\right.$ $\left\{\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{T}_i\cos {\mathrm{\α}}_i=0\\ \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{T}_i\cos {\mathrm{\β}}_i+F_{w.y}+G=F_{m.y}\\ \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{T}_i\cos {\mathrm{\γ}}_i=0\end{array}\right.$ $\left\{\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{T}_i\cos {\mathrm{\α}}_i=0\\ \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{T}_i\cos {\mathrm{\β}}_i=0\\ \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{T}_i\cos {\mathrm{\γ}}_i+F_{w.z}=F_{m.z}\end{array}\right.$

上述方程组中，G为飞机重力，T_i为系留载荷，F_w为风载，F_m为质量惯性力，下角标x、y、z表征笛卡儿坐标系的三个空间方向；α_i、β_i、γ_i为系留索的空间方向角，下角标i表征编号为i的系留索；

方程组①是系留索张力与航向风载、航向惯性力的平衡，方程组②是系留索张力与垂向风载、垂向惯性力的平衡，方程组③是系留索张力与侧向风载、侧向惯性力的平衡；各典型计算情况，飞机的质量力(惯性力)与气动力有不同的作用点，同时实现模拟飞机的俯仰、滚转、偏航转动惯量特性；由于风暴气象条件下运动平台的纵摇、首摇、横摇、纵荡、垂荡、横荡运动，会出现飞机与运动平台甲板脱离接触的瞬间，此时摩擦力和支持力就不存在了，而这种情况下的系留索张力是最大的；

3)根据上述平衡关系式，将载荷施加到有限元计算模型；建模时，将起落架定义为只能承受压缩载荷的GAP单元，其闭合刚度K_C与张开刚度K_O的比值控制在λ₁＝K_C/K_O≥10000，起落架刚度通过落震试验结果来确定；将系留索定义为只能承受拉伸载荷的GAP单元，其闭合刚度K_C与张开刚度K_O的比值控制在λ₂＝K_C/K_O≤0.0001，系留索刚度通过拉伸试验结果来确定；在软件环境下进行模型计算求解时，必须将软件默认的线性模式调整为非线性模式。

2.根据权利要求1所述的一种飞机系留载荷计算方法，其特征在于，提供一种普适性强、基于MSC.PATRAN/NASTRAN环境的非线性GAP单元FEM计算分析方法，依据全机系留平衡方程施加外载(包括风载和质量惯性力)，全面、细致地划分系留载荷计算情况，使得在不变更飞机、运动平台甲板模型的前提下，达到软件自动筛选、判别承载系留索的目的，提高工作效率和求解精度。