CN112711809A - 一种舵面载荷筛选方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于结构强度分析技术领域，本发明提供一种舵面操纵检查载荷筛选方法，适用于大型飞机多支点支持、小间隙操纵的舵面试验载荷筛选。此发明具有较大应用价值，已在某型号民机的操纵舵面载荷筛选中使用。

Description

一种舵面载荷筛选方法
技术领域
本发明涉及结构强度分析技术领域，特别涉及多支点支持、小间隙操纵的舵面载荷筛选。
背景技术
飞机操纵面与主翼面设计间隙较小，操纵过程中操纵面易与主翼面结构产生干涉，且操纵系统相对大变形发生咔滞现象，亟需筛选载荷工况进行试验验证，以前筛选载荷借助工程经验进行，其精度不能满足现有舵面结构要求。
发明内容
本发明的目的是：提供一种舵面操纵检查载荷筛选方法，适用于大型飞机多支点支持、小间隙操纵的舵面试验载荷筛选。此发明具有较大应用价值，已在某型号民机的操纵舵面载荷筛选中使用。
本发明的技术方案：提供一种舵面载荷筛选方法，所述载荷筛选方法包括：
步骤1：对主翼面、舵面施加多种操纵检查载荷工况以产生主翼面大变形，对主翼面大变形导致的几何非线性进行有限元仿真，采用全拉格朗日算法，引入非线性应变张量，得到主翼面、舵面本体的变形数值及相应舵面操纵点、悬挂点的变形数值。
步骤2：在主翼面大变形之后，根据舵面操纵点到舵面两端点构成的直线的距离大小，根据距离最小化原则，筛选得到舵面操纵系统的载荷工况；距离最小化原则是指，多种操纵检查载荷工况中哪种工况下的距离最小，则该工况为舵面操纵系统的载荷工况。
步骤3：在主翼面大变形之后，根据主翼面与舵面变形后，计算主翼面与舵面对应位置间隙量的大小，采用间隙最小化原则，筛选得到舵面本体的载荷工况；间隙最小化原则是指：多种操纵检查载荷工况中哪种工况下的间隙量最小，则该工况为舵面本体的载荷工况。
进一步地，步骤1中，引入非线性应变张量是指引入非线性Green应变张量。
进一步地，步骤1中，进行有限元仿真包括：建立主翼面、操纵面有限元模型；
其中，有限元模型简化为杆板结构；有限元模型中的蒙皮、肋腹板、梁腹板简化为弯曲板元；有限元模型中的多个悬挂接头和多个操纵接头全部简化为弯曲板元；有限元模型中的梁缘条、梁支柱、盒段肋缘条、前缘隔板缘条、操纵杆简化为杆元。
进一步地，步骤1中，通过舵面变形后1#、4#悬挂点的空间直线方程L为：
Figure BDA0002869950490000021
其中(x1,y1,Z1)为1#悬挂空间点坐标，(x4,y4,Z4)为1#悬挂空间点坐标，x、y、z为笛卡尔坐标的三个坐标方向。
进一步地，步骤2中，舵面操纵点A、B到舵面两端点形成的空间直线L的距离的计算公式为：
Figure BDA0002869950490000022
其中(xi,yi,zi)为舵面操纵点A、B的坐标，Am、Bm、Cm为直线方程L的方向系数。
进一步地，步骤3中，主翼面与舵面对应位置间隙量δ的计算公式为：
δ＝δu-δf
其中δu为变形后主翼面结构和对应操纵面结构相对变形量，δf为初始设计间隙
进一步地，舵面为小行程运动，并且舵面和主翼面全运动行程接触。
进一步地，舵面和主翼面采用多悬挂点连接；悬挂点大于2。
本发明的技术效果：创新性地以操纵系统的相对变形量、操纵面与主翼面设计间隙量为指标，将“舵面与固定面多支持点之间共线度”、“固定面后缘与舵面间隙大小”作为评价体系，提出舵面操纵检查载荷筛选原则和方法。
附图说明
图1为多支点支持的操纵面结构；
图2为主翼面、操纵面有限元模型(上图为俯视图、下图为侧视图)；
图3为主翼面展向多支点共线度图；
图4为主翼面与操纵面间隙；
图5为不同工况下操纵面与主翼面的间隙量；
图6为变形前后舵面与主翼面干涉图。
具体实施方式
已知图1某大型飞机操纵面，舵面结构1通过展向4组悬挂接头(沿展向分别命名为1#、2#、3#、4#)连接在主翼面结构2上，且2组操纵系统(沿展向分别命名为A#、B#)保证了操纵面翼面位置。外载荷F作用下，操纵面与主翼面间隙量减小，产生干涉；且操纵点部位共线度很差，操纵系统安全性降低。静力试验中为验证操纵系统安全性和可靠性及操纵面与主翼面的干涉情况，操纵检查载荷精确筛选成为必然。本实施例，提供一种舵面载荷筛选方法，所述载荷筛选方法包括以下步骤：
步骤1：建立主翼面、操纵面有限元模型：
有限元模型简化为杆板结构，蒙皮、肋腹板、梁腹板简化为弯曲板元(CQUAD4元)；4个悬挂接头和2个操纵接头全部简化为弯曲板元(CTRIA3元)；梁缘条、梁支柱、盒段肋缘条、前缘隔板缘条、操纵杆简化为杆元(CROD元)，见图2；
步骤2：机翼结构外载荷作用下产生大变形，考虑几何非线性影响；机翼大变形为几何非线性一种，计算时采用全拉格朗日列式法，引入非线性Green应变张量。
步骤3：依据几何非线性变形结果，运用“多支点共线度”筛选操纵系统考核工况：
在主翼面大变形之后，根据舵面操纵点到舵面两端点构成的直线的距离大小，根据距离最小化原则，筛选得到舵面操纵系统的载荷工况；距离最小化原则是指，多种操纵检查载荷工况中哪种工况下的距离最小，则该工况为舵面操纵系统的载荷工况。
本实施例，变形前1#-4#操纵点、A#操纵点、B#操纵点组成一直线，变形后通过1#、4#悬挂点的空间直线方程L为：
Figure BDA0002869950490000041
其中(x1,y1,Z1)为1#悬挂空间点坐标，(x4,y4,Z4)为1#悬挂空间点坐标，x、y、z为笛卡尔坐标的三个坐标方向。
舵面操纵点A、B到舵面两端点形成的空间直线L的距离的计算公式为：
Figure BDA0002869950490000042
其中(xi,yi,zi)为舵面操纵点A、B的坐标，Am、Bm、Cm为直线方程L的方向系数。操纵点A、B相对变形量d1、d4于工况4下最大，此工况下操纵效率最低，安全性和可靠性最小，为操纵系统考核的筛选工况，见图3；
步骤4：通过“图4所示固定面后缘与舵面间隙大小”筛选结构干涉考核工况。
在主翼面大变形之后，根据主翼面与舵面变形后，计算主翼面与舵面对应位置间隙量的大小，采用间隙最小化原则，筛选得到舵面本体的载荷工况；间隙最小化原则是指：多种操纵检查载荷工况中哪种工况下的间隙量最小，则该工况为舵面本体的载荷工况。
本实施例，依据几何非线性计算结果，结构干涉量δ＝变形后主翼面结构和对应操纵面结构相对变形量的差值δu-初始设计间隙δf。图5给出了各个工况下干涉量图，确定翼面干涉考核工况2，图6给出了主翼面与操纵面干涉图。
步骤5：基于步骤(3)、步骤(4)，筛选出操纵检查载荷工况为2工况(翼面结构干涉考核工况)、4工况(操纵系统干涉考核工况)，此工况已经得到全机静力试验的考证。

Claims (8)

1.一种舵面载荷筛选方法，其特征在于，所述载荷筛选方法包括：
步骤1：对主翼面、舵面施加多种操纵检查载荷工况以产生主翼面大变形，对主翼面大变形导致的几何非线性进行有限元仿真，采用全拉格朗日算法，引入非线性应变张量，得到主翼面、舵面本体的变形数值及相应舵面操纵点、悬挂点的变形数值；
步骤2：在主翼面大变形之后，根据舵面操纵点到舵面两端点构成的直线的距离大小，根据距离最小化原则，筛选得到舵面操纵系统的载荷工况；距离最小化原则是指，多种操纵检查载荷工况中哪种工况下的距离最小，则该工况为舵面操纵系统的载荷工况；
步骤3：在主翼面大变形之后，根据主翼面与舵面变形后，计算主翼面与舵面对应位置间隙量的大小，采用间隙最小化原则，筛选得到舵面本体的载荷工况；间隙最小化原则是指：多种操纵检查载荷工况中哪种工况下的间隙量最小，则该工况为舵面本体的载荷工况。
2.根据权利要求1所述的舵面载荷筛选方法，其特征在于，步骤1中，引入非线性应变张量是指引入非线性Green应变张量。
3.根据权利要求1所述的舵面载荷筛选方法，其特征在于，步骤1中，进行有限元仿真包括：建立主翼面、操纵面有限元模型；
其中，有限元模型简化为杆板结构；有限元模型中的蒙皮、肋腹板、梁腹板简化为弯曲板元；有限元模型中的多个悬挂接头和多个操纵接头全部简化为弯曲板元；有限元模型中的梁缘条、梁支柱、盒段肋缘条、前缘隔板缘条、操纵杆简化为杆元。
4.根据权利要求1所述的舵面载荷筛选方法，其特征在于，步骤1中，通过舵面变形后1#、4#悬挂点的空间直线方程L为：
Figure FDA0002869950480000011
其中(x1,y1,Z1)为1#悬挂空间点坐标，(x4,y4,Z4)为1#悬挂空间点坐标，x、y、z为笛卡尔坐标的三个坐标方向。
5.根据权利要求4所述的舵面载荷筛选方法，其特征在于，步骤2中，舵面操纵点A、B到舵面两端点形成的空间直线L的距离的计算公式为：
Figure FDA0002869950480000021
其中(xi,yi,zi)为舵面操纵点A、B的坐标，Am、Bm、Cm为直线方程L的方向系数。
6.根据权利要求1所述的舵面载荷筛选方法，其特征在于，步骤3中，主翼面与舵面对应位置间隙量δ的计算公式为：
δ＝δu-δf
其中δu为变形后主翼面结构和对应操纵面结构相对变形量，δf为初始设计间隙。
7.根据权利要求1所述的舵面载荷筛选方法，其特征在于，舵面为小行程运动，并且舵面和主翼面全运动行程接触。
8.根据权利要求7所述的舵面载荷筛选方法，其特征在于，舵面和主翼面采用多悬挂点连接；悬挂点大于2。
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