CN113536624B - 一种舰载机拦阻着舰过程的刚柔耦合动力学建模仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种舰载机拦阻着舰过程的刚柔耦合动力学建模仿真方法，通过对舰载机、前起落架、主起落架、拦阻钩、甲板、拦阻装置的建模进行分析，基于刚柔耦合动力学理论，构建完整拦阻着舰过程有限元模型，然后对有限元模型进行校验与修正，完成飞机拦阻着陆动力学仿真的构建过程。该模型的计算仿真过程更接近真实着舰状态，可以保证舰载机着舰过程起落架、拦阻钩索等关键部件结构动响应计算的准确性，同时具备一定的高效性，该模型可为甲板运动、舰尾流、钩索动态啮合、起落架缓冲特性、拦阻装置性能和飞行控制要素的计算提供接口，为解决起落架/拦阻钩等关键机构总体布局、参数定义、钩索动态参数匹配及确定理想着舰点等难题提供解决方案。

Description

一种舰载机拦阻着舰过程的刚柔耦合动力学建模仿真方法

技术领域

本发明涉及航空工程技术领域，尤其涉及一种舰载机拦阻着舰过程的刚柔耦合动力学建模仿真方法。

背景技术

舰载机是以航母甲板作为起降平台的一类飞机，是航母战斗编队实战中强有力的作战力量。飞机着陆拦阻过程载荷大、时间短，受航母运动、气流扰动等因素影响，存在复杂的动力学耦合问题。拦阻着舰过程是飞机回收安全的关键技术之一，为保障舰载机的着舰安全，需要建立准确可靠的拦阻过程分析模型。

目前，在建立舰载机拦阻着舰过程有限元模型时，往往对建模对象采用刚体假设，同时对于如起落架、拦阻钩这类关键部件的仿真模拟精度也不够理想。因此采用更为准确的建模仿真方法可以实现更接近真实着舰状态的过程仿真，将对舰载机着陆动响应的深入研究、解决起落架/拦阻钩等关键机构总体布局、结构与材料使用及钩索动态参数匹配等方面具有重要的意义。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种舰载机拦阻着舰过程的刚柔耦合动力学建模仿真方法，用以使仿真过程更接近真实着舰过程，保证舰载机着舰过程起落架、拦阻钩索等关键部件结构动响应计算的准确性，进行舰载机不同着陆姿态的拦阻着舰仿真分析，为解决起落架/拦阻钩等关键机构总体布局、结构与材料使用、钩索动态参数匹配和确定理想着舰点等问题提供依据。

本发明提供的一种舰载机拦阻着舰过程的刚柔耦合动力学建模仿真方法，包括如下步骤：

S1：基于轮胎的胎面、胎侧、补强帘布层、胎体帘布层、轮辋、钢丝圈和气囊的材料属性，以及仿真得到的轮胎压缩量-垂向载荷的无量纲化曲线与实际轮胎落震试验得到的轮胎压缩量-垂向载荷曲线，对轮胎的刚度进行标定；对前起落架进行建模与仿真落震试验，将前起落架的仿真落震试验与实际前起落架落震试验进行对比，校核两个试验的前起落架缓冲支柱位移行程曲线和两个试验的下沉距离-载荷曲线，确定前起落架的缓冲特性参数，得到前起落架的有限元模型；

S2：利用步骤S1的方法对主起落架进行建模与校核，得到主起落架的有限元模型；

S3：根据拦阻钩的结构，建立拦阻钩的体单元模型，根据拦阻钩缓冲装置的参数，定义拦阻钩缓冲装置的阻尼特性，得到拦阻钩的有限元模型；

S4：建立舰载机的有限元模型，包括机翼模型和机身模型，将节点气动载荷加载至机翼模型的相应节点上，实现升力仿真；

S5：建立甲板上拦阻索、甲板下拦阻索、滑轮、滑轮缓冲装置、主吸能装置、尾端缓冲装置、动-定滑轮组以及甲板上拦阻索与甲板下拦阻索的接触类型、滑轮与甲板下拦阻索的接触类型、滑轮与滑轮缓冲装置的接触类型、动-定滑轮组与主吸能装置的接触类型、尾端缓冲装置与甲板下拦阻索的接触类型，得到拦阻装置的有限元模型；通过离散的梁单元建立具有弹性的钢索模型，在所述钢索模型中不考虑梁单元的扭转特性；通过包围梁单元的壳单元模拟钢索外形，用于拦阻钩挂索判定；通过壳单元模拟所述滑轮缓冲装置、所述主吸能装置和所述尾端缓冲装置的外形，通过对bar单元设置弹性力、阻尼力、弹性力系数和阻尼力系数来模拟所述滑轮缓冲装置、所述主吸能装置和所述尾端缓冲装置的力学性能；将拦阻装置实测的滑轮转速与上述有限元模型仿真得到的滑轮转速对比，将拦阻试验得到的拦阻力-时间曲线与上述有限元模型仿真得到的拦阻力-时间曲线对比，验证拦阻装置的有限元模型的正确性；

S6：定义甲板中心，基于甲板中心定义甲板的横荡运动、垂荡运动、纵荡运动、艏摇运动、横摇运动和纵摇运动，得到甲板的有限元模型；

S7：定义各有限元模型间的接触和约束，接触包括前起落架与甲板的接触、主起落架与甲板的接触、拦阻钩与甲板的接触、滑索与滑轮的接触、拦阻索与甲板的接触以及拦阻钩与拦阻索的接触，约束包括位置约束和速度约束，得到描述舰载机拦阻着舰的刚柔耦合动力学模型；

S8：根据舰载机拦阻着舰的实际工况要求设置舰载机的初始条件，通过所述刚柔耦合动力学模型仿真得到舰载机拦阻着舰滑行距离、拦阻力、关键部件结构应力应变以及前起落架和主起落架的机械结构的动态响应结果。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述舰载机拦阻着舰过程的刚柔耦合动力学建模仿真方法中，步骤S4中，所述节点气动载荷为分布在机翼有限单元节点上的分布力，分为气动升力、气动阻力和俯仰力矩。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述舰载机拦阻着舰过程的刚柔耦合动力学建模仿真方法中，步骤S8中，所述舰载机的初始条件包括飞机气动载荷、起落架缓冲力、发动机推力和拦阻钩系统缓冲力。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述舰载机拦阻着舰过程的刚柔耦合动力学建模仿真方法中，步骤S8中，所述拦阻力为MK7-3型拦阻装置实测拦阻力时程曲线。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述舰载机拦阻着舰过程的刚柔耦合动力学建模仿真方法中，步骤S8中，所述舰载机拦阻着舰的实际工况包括不同的舰载机姿态角、初始速度、下沉速度、钩主矩和主轮距。

本发明提供的上述舰载机拦阻着舰过程的刚柔耦合动力学建模仿真方法，通过对舰载机、前起落架、主起落架、拦阻钩、甲板、拦阻装置的建模进行分析，基于刚柔耦合动力学理论，构建包括前起落架、主起落架、拦阻钩、舰载机、拦阻装置、甲板在内的完整拦阻着舰过程有限元模型，然后对有限元模型进行校验与修正，完成飞机拦阻着陆动力学仿真的构建过程。该模型的计算仿真过程更接近真实着舰状态，可以保证舰载机着舰过程起落架、拦阻钩索等关键部件结构动响应计算的准确性，同时具备一定的高效性，该模型可为甲板运动、舰尾流、钩索动态啮合、起落架缓冲特性、拦阻装置性能和飞行控制要素的计算提供接口，可实现舰载机不同着舰姿态和偏心拦阻过程的仿真，为解决起落架/拦阻钩等关键机构总体布局、结构与材料使用、参数定义、钩索动态参数匹配以及确定理想着舰点等难题提供高可靠性解决方案，为舰载机着舰动力学问题分析和舰载机着陆动响应的深入研究提供可靠依据，对舰载机总体及动强度分析与设计具有重要意义，具有重要的工程应用价值。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的一种舰载机拦阻着舰过程的刚柔耦合动力学建模仿真方法的流程图；

图2为本发明实施例1中通过仿真得到的轮胎体积-时间的无量纲化曲线图；

图3为本发明实施例1中刚柔耦合动力学模型的结构示意图；

图4为本发明实施例1中拦阻仿真过程中舰载机滑跑位移-时间曲线图；

图5为本发明实施例1中拦阻仿真过程中主起落架的垂向载荷曲线图；

图6为本发明实施例1中拦阻仿真过程中前起落架的垂向载荷曲线图；

图7为本发明实施例1中以MK7-3型拦阻装置进行拦阻仿真所得的拦阻力测量结果的无量纲曲线图；

图8为本发明实施例1中计算得到的拦阻钩钩臂距离机身2/3钩长处材料的无量纲化应变-时间曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是作为例示，并非用于限制本发明。

下面通过一个具体的实施例对本发明提供的上述舰载机拦阻着舰过程的刚柔耦合动力学建模仿真方法的具体实施进行详细说明。

实施例1：

如图1所示，包括如下步骤：

第一步：建立前起落架的有限元模型。

具体地，基于实际轮胎尺寸，建立轮胎模型，包括胎面、胎侧、补强帘布层、胎体帘布层、轮辋、钢丝圈和气囊。获取轮胎的胎面、胎侧、补强帘布层、胎体帘布层、轮辋、钢丝圈和气囊的材料属性并输入轮胎模型。由于起落架模型(包括前起落架模型和主起落架模型)需要考虑起落架轮胎和缓冲器的可压缩性，因此，需要先获得准确的轮胎压缩量-垂向载荷曲线，而准确的轮胎压缩量-垂向载荷曲线可以决定舰载机与地面碰撞产生的接触力的准确性，从而可以保证拦阻着舰仿真的可靠性，因此，可以基于仿真得到轮胎体积-时间的无量纲化曲线(如图2所示)和垂向载荷-时间曲线，两条曲线结合得到轮胎压缩量-垂向载荷的无量纲化曲线，将仿真得到的轮胎压缩量-垂向载荷的无量纲化曲线与实际轮胎落震试验得到的轮胎压缩量-垂向载荷曲线对比，对轮胎的刚度进行标定。然后，再对前起落架进行建模与仿真落震试验，将前起落架的仿真落震试验与实际前起落架落震试验进行对比，校核两个试验的前起落架缓冲支柱位移行程曲线和两个试验的下沉距离-载荷曲线，确定前起落架的缓冲特性参数，得到前起落架的有限元模型。

第二步：建立主起落架的有限元模型。方法与前起落架的建模方法相同，在此不做赘述。

第三步：建立拦阻钩的有限元模型。

具体地，根据拦阻钩的结构，建立拦阻钩的体单元模型，根据拦阻钩缓冲装置参数，定义拦阻钩缓冲装置的阻尼特性，得到拦阻钩的有限元模型。

第四步：建立舰载机的有限元模型，包括机翼模型和机身模型。

具体地，通过将节点气动载荷加载至机翼模型的相应节点上，实现升力仿真。节点气动载荷为分布在机翼有限单元节点上的分布力，可以分为气动升力、气动阻力和俯仰力矩。特殊地，如果考虑气流扰动影响，可以对加载在两侧机翼上的气动载荷进行修正。

第五步：建立拦阻装置的有限元模型。

以MK7-3拦阻装置为例，需要建立甲板上拦阻索、甲板下拦阻索、滑轮、滑轮缓冲装置、主吸能装置、尾端缓冲装置、动-定滑轮组以及甲板上拦阻索与甲板下拦阻索的接触类型、滑轮与甲板下拦阻索的接触类型、滑轮与滑轮缓冲装置的接触类型、动-定滑轮组与主吸能装置的接触类型、尾端缓冲装置与甲板下拦阻索的接触类型，得到拦阻装置的有限元模型。

通过离散的梁单元建立具有弹性的钢索模型，在钢索模型中不考虑梁单元的扭转特性；通过包围梁单元的壳单元模拟钢索外形，用于拦阻钩挂索判定；通过壳单元模拟缓冲装置(包括滑轮缓冲装置、主吸能装置和尾端缓冲装置)的外形，通过对bar单元设置弹性力、阻尼力、弹性力系数和阻尼力系数来模拟缓冲装置的力学性能。将拦阻装置实测的滑轮转速与上述有限元模型仿真得到的滑轮转速对比，将拦阻试验得到的拦阻力-时间曲线与上述有限元模型仿真得到的拦阻力-时间曲线对比，验证拦阻装置的有限元模型的正确性。

第六步：建立甲板的有限元模型。

具体地，定义甲板中心，基于甲板中心定义甲板的横荡运动、垂荡运动、纵荡运动、艏摇运动、横摇运动和纵摇运动，得到甲板的有限元模型。

第七步：定义各有限元模型间的接触和约束，得到描述舰载机拦阻着舰的刚柔耦合动力学模型，如图3所示，包括机身1、前起落架2、主起落架3、拦阻钩4、机翼5、拦阻器主吸能装置6、拦阻器滑轮缓冲装置7、拦阻器尾端缓冲装置8、甲板下拦阻索9、甲板上拦阻索10、滑轮11以及甲板12。

具体地，接触包括前起落架与甲板的接触、主起落架与甲板的接触、拦阻钩与甲板的接触、滑索与滑轮的接触、拦阻索与甲板的接触以及拦阻钩与拦阻索的接触，约束包括位置约束和速度约束。

第八步：根据舰载机拦阻着舰的实际工况要求设置舰载机的初始条件，通过刚柔耦合动力学模型仿真得到舰载机拦阻着舰滑行距离、拦阻力、关键部件结构应力应变以及前起落架和主起落架的机械结构的动态响应结果。

图4为拦阻仿真过程中舰载机滑跑位移-时间曲线，舰载机在拦阻装置作用下减速，拦阻行程约3s，拦阻滑跑距离为70m。图5为拦阻仿真过程中主起落架的垂向载荷曲线，约0.2s时主起落架的垂向载荷达到最大值，在0.2s～0.5s时间段，由于起落架缓冲装置，垂向载荷减小，同时受舰载机滑跑和轮胎压缩的影响，主起落架的垂向载荷出现波动但趋于平缓。图6为拦阻仿真过程中前起落架的垂向载荷曲线，前起落架的垂向载荷呈现波动稳定趋势。前起落架和主起落架的动力学响应结果可以为拦阻安全和结构设计提供参考。

图7为以MK7-3型拦阻装置进行拦阻仿真所得的拦阻力测量结果的无量纲曲线。以图7所示的拦阻力进行舰载机拦阻着舰动力学仿真分析，拦阻力数据可以为提高计算机仿真的计算效率和精确度提供参考。

图8为通过本发明提供的上述舰载机拦阻着舰过程的刚柔耦合动力学建模仿真方法，计算得到的拦阻钩钩臂距机身2/3钩长处材料的无量纲化应变-时间曲线，由图8可以得到拦阻钩距机身2/3钩长处材料在舰载机拦阻着舰过程中的应变，从而可以根据该应变指导危险部位的材料选择和结构设计。

具体地，舰载机的初始条件可以包括飞机气动载荷、起落架缓冲力、发动机推力和拦阻钩系统缓冲力。拦阻力可以为MK7-3型拦阻装置实测拦阻力时程曲线。舰载机拦阻着舰的实际工况可以包括不同的舰载机姿态角、初始速度、下沉速度、钩主矩和主轮距。

本发明实施例1提供的上述舰载机拦阻着舰过程的刚柔耦合动力学建模仿真方法，考虑了起落架(包括前起落架和主起落架)、拦阻装置的柔性结构与舰载机刚性子系统的刚柔耦合，还考虑了气动载荷与甲板运动耦合，建立了与实际工况相近甚至更为极端的着舰条件的舰载机拦阻着舰物理模型，实现了对舰载机拦阻着舰动力学过程的可靠仿真，可得到舰载机拦阻着舰滑行距离、钩索应力应变和起落架等其他机械结构的动力学响应结果，可以为起落架/拦阻钩等关键机构总体布局提供建议。通过与动响应地面试验结果对比分析，本发明实施例1所得结果准确可靠，解决了现有技术的诸多局限性，可以为舰载机拦阻着舰过程动响应分析、钩索动态参数匹配及关键部件动强度设计提供重要的参考。通过该模型仿真可以对舰载机阻拦着舰安全性进行分析，本发明实施例1提供的上述舰载机拦阻着舰过程的刚柔耦合动力学建模仿真方法，可以进行不同着舰落点和舰载机着舰姿态进行仿真，对钩索啮合情况进行判定，根据仿真结果可以对阻拦风险区进行识别，进而分析较为安全的拦阻点。

本发明提供的上述舰载机拦阻着舰过程的刚柔耦合动力学建模仿真方法，通过对舰载机、前起落架、主起落架、拦阻钩、甲板、拦阻装置的建模进行分析，基于刚柔耦合动力学理论，构建包括前起落架、主起落架、拦阻钩、舰载机、拦阻装置、甲板在内的完整拦阻着舰过程有限元模型，然后对有限元模型进行校验与修正，完成飞机拦阻着陆动力学仿真的构建过程。该模型的计算仿真过程更接近真实着舰状态，可以保证舰载机着舰过程起落架、拦阻钩索等关键部件结构动响应计算的准确性，同时具备一定的高效性，该模型可为甲板运动、舰尾流、钩索动态啮合、起落架缓冲特性、拦阻装置性能和飞行控制要素的计算提供接口，可实现舰载机不同着舰姿态和偏心拦阻过程的仿真，为解决起落架/拦阻钩等关键机构总体布局、结构与材料使用、参数定义、钩索动态参数匹配以及确定理想着舰点等难题提供高可靠性解决方案，为舰载机着舰动力学问题分析和舰载机着陆动响应的深入研究提供可靠依据，对舰载机总体及动强度分析与设计具有重要意义，具有重要的工程应用价值。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种舰载机拦阻着舰过程的刚柔耦合动力学建模仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：基于轮胎的胎面、胎侧、补强帘布层、胎体帘布层、轮辋、钢丝圈和气囊的材料属性，以及仿真得到的轮胎压缩量-垂向载荷的无量纲化曲线与实际轮胎落震试验得到的轮胎压缩量-垂向载荷曲线，对轮胎的刚度进行标定；对前起落架进行建模与仿真落震试验，将前起落架的仿真落震试验与实际前起落架落震试验进行对比，校核两个试验的前起落架缓冲支柱位移行程曲线和两个试验的下沉距离-载荷曲线，确定前起落架的缓冲特性参数，得到前起落架的有限元模型；

S2：利用步骤S1的方法对主起落架进行建模与校核，得到主起落架的有限元模型；

S3：根据拦阻钩的结构，建立拦阻钩的体单元模型，根据拦阻钩缓冲装置的参数，定义拦阻钩缓冲装置的阻尼特性，得到拦阻钩的有限元模型；

S4：建立舰载机的有限元模型，包括机翼模型和机身模型，将节点气动载荷加载至机翼模型的相应节点上，实现升力仿真；

S5：建立甲板上拦阻索模型、甲板下拦阻索模型、滑轮模型、滑轮缓冲装置模型、主吸能装置模型、尾端缓冲装置模型、动-定滑轮组模型以及甲板上拦阻索与甲板下拦阻索的接触类型、滑轮与甲板下拦阻索的接触类型、滑轮与滑轮缓冲装置的接触类型、动-定滑轮组与主吸能装置的接触类型、尾端缓冲装置与甲板下拦阻索的接触类型，得到拦阻装置的有限元模型；通过离散的梁单元建立具有弹性的钢索模型，在所述钢索模型中不考虑梁单元的扭转特性；通过包围梁单元的壳单元模拟钢索外形，用于拦阻钩挂索判定；通过壳单元模拟所述滑轮缓冲装置、所述主吸能装置和所述尾端缓冲装置的外形，通过对bar单元设置弹性力、阻尼力、弹性力系数和阻尼力系数来模拟所述滑轮缓冲装置、所述主吸能装置和所述尾端缓冲装置的力学性能；将拦阻装置实测的滑轮转速与有限元模型仿真得到的滑轮转速对比，将拦阻试验得到的拦阻力-时间曲线与有限元模型仿真得到的拦阻力-时间曲线对比，验证拦阻装置的有限元模型的正确性；

S6：定义甲板中心，基于甲板中心定义甲板的横荡运动、垂荡运动、纵荡运动、艏摇运动、横摇运动和纵摇运动，得到甲板的有限元模型；

S7：定义各有限元模型间的接触和约束，接触包括前起落架与甲板的接触、主起落架与甲板的接触、拦阻钩与甲板的接触、滑索与滑轮的接触、拦阻索与甲板的接触以及拦阻钩与拦阻索的接触，约束包括位置约束和速度约束，得到描述舰载机拦阻着舰的刚柔耦合动力学模型；

S8：根据舰载机拦阻着舰的实际工况要求设置舰载机的初始条件，通过所述刚柔耦合动力学模型仿真得到舰载机拦阻着舰滑行距离、拦阻力、关键部件结构应力应变以及前起落架和主起落架的机械结构的动态响应结果。

2.如权利要求1所述的舰载机拦阻着舰过程的刚柔耦合动力学建模仿真方法，其特征在于，步骤S4中，所述节点气动载荷为分布在机翼有限单元节点上的分布力，分为气动升力、气动阻力和俯仰力矩。

3.如权利要求1所述的舰载机拦阻着舰过程的刚柔耦合动力学建模仿真方法，其特征在于，步骤S8中，所述舰载机的初始条件包括飞机气动载荷、起落架缓冲力、发动机推力和拦阻钩系统缓冲力。

4.如权利要求1所述的舰载机拦阻着舰过程的刚柔耦合动力学建模仿真方法，其特征在于，步骤S8中，所述拦阻力为MK7-3型拦阻装置实测拦阻力。

5.如权利要求1所述的舰载机拦阻着舰过程的刚柔耦合动力学建模仿真方法，其特征在于，步骤S8中，所述舰载机拦阻着舰的实际工况包括不同的舰载机姿态角、初始速度、下沉速度、钩主矩和主轮距。

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