CN114528680A - 一种飞机冲击拦阻网动态特性计算方法 - Google Patents

Abstract

本申请属于飞机总体设计领域，具体涉及一种飞机冲击拦阻网动态特性计算方法及装置。所述方法包括步骤S1、构建包含飞行员模型、起落架模型及减速伞模型在内的全机模型；步骤S2、构建拦阻网模型及拦阻系统模型，并组装成拦阻模型，所述拦阻网模型通过仅用来承受拉力的一维单元模拟网轴线位置，通过仅承受剪切、弯矩及扭矩的二维单元模拟网外表面位置；步骤S3、基于所述全机模型及所述拦阻模型进行飞机冲网仿真；步骤S4、确定冲网过程飞机与拦阻网的运动过程以及获取设定部件的载荷历程。本申请可以精确建立飞机和拦阻网的细节模型，在处理非线性接触问题上计算效率高，可以有效应用于型号设计中，解决飞机冲网动态特性的模拟。

Description

一种飞机冲击拦阻网动态特性计算方法

技术领域

本申请属于飞机总体设计领域，具体涉及一种飞机冲击拦阻网动态特性计算方法。

背景技术

受到着陆或者着舰跑道长度的影响，飞机需要在较短距离停下。舰载机在钩索失败情况下，需拉起拦阻网进行应急拦阻。空军飞机在山区、岛屿机场，在遇到减速伞打开失败等特情需要应急降落时，为避免冲出跑道，需通过拦阻网进行拦阻。

为分析飞机高速冲击拦阻网过程对机体结构造成的损伤以及飞行员安全的影响，需开展飞机冲网动态仿真分析，研究包括飞机和拦阻网两大高度非线性系统的动态啮合，涉及大位移、大变形冲击响应，需要建立飞机瞬态冲击拦阻网动力学分析方法，以及飞机和拦阻网高保真的非线性动力学模型。

现有应用于飞机冲网仿真的技术包括理论公式推演和数值仿真模拟两种方法。传统理论公式虽然可以快速给出飞机冲网的最大速度限制，但细节因素未能考虑，无法给出损伤部位，无法评判不同种飞机外形在各种冲击速度、重量和姿态下造成的损伤程度，比如机翼前缘、起落装置、雷达罩与拦阻网绳冲击过程中的非线性接触问题。而刚体动力学和有限元一类商业软件提供的瞬态冲击分析功能有限，无法模拟出拦阻网这一类绳索柔性体与机体结构的接触特性以及精细化的飞行员受冲击后的运动情况。

发明内容

为了解决上述问题，本申请提供一种飞机冲击拦阻网动态特性计算方法，通过刚体动力学和有限元接触非线性分析方法为基础，开发一种特殊单元构建拦阻网装置，在保证计算效率的前提下既可以模拟机体结构与拦阻网的非线性接触，建立全套飞机和拦阻网系统动力学模型，分析机体结构损伤情况和飞行员安全，实现飞机与拦阻网动态特性分析，给出冲击速度安全限制以及冲击薄弱区。

本申请提供了一种飞机冲击拦阻网动态特性计算方法，主要包括：

步骤S1、构建包含飞行员模型、起落架模型及减速伞模型在内的全机模型；

步骤S2、构建拦阻网模型及拦阻系统模型，并组装成拦阻模型，所述拦阻网模型的拦阻网材料采用非线性材料本构，通过仅用来承受拉力的一维单元模拟网轴线位置，通过仅承受剪切、弯矩及扭矩的二维单元模拟网外表面位置，通过判断接触物体的节点与拦阻网表面二维单元穿透数据，计算接触力，之后通过力的矢量叠加得到一维单元的节点力；

步骤S3、基于所述全机模型及所述拦阻模型进行飞机冲网仿真；

步骤S4、确定冲网过程飞机与拦阻网的运动过程以及获取设定部件的载荷历程。

优选的是，步骤S1进一步包括：

采用显式有限元方法，建立包含机体结构的有限元模型，所述机体结构的有限元模型至少包括飞机雷达罩、机翼前缘、座舱盖的三维实体模型，同时具有装配关系的设备模型间建立运动副，模拟运动约束关系。

优选的是，步骤S1进一步包括：

采用刚柔耦合方法建立起落架动力学模型，赋予起落架支柱、活塞杆、轮轴、轮毂模型刚体属性，采用非线性弹簧阻尼单元建立缓冲器模型，活塞杆与起落架支柱之间建立非线性接触，最后将其与轮胎模型组合进来；

所述轮胎模型单独构建，轮胎橡胶采用实体单元建模，采用粘弹性材料本构，帘布层采用膜单元建模，采用织物材料本构，轮毂采用壳单元建模，赋予刚体属性，气囊采用封闭气体建模，并赋予理想气体属性，轮胎与甲板之间建立非线性接触。

优选的是，构建所述轮胎模型后，进一步包括通过建立轮胎虚拟静压实验，通过实验数据校正轮胎模型。

优选的是，步骤S1进一步包括：

构建阻力伞模型，阻力伞的伞绳由一维绳索单元进行模拟，承受轴向拉力，阻力伞的伞面由二维膜单元进行模拟，承受面外气动力，通过将气动载荷施加到伞单元，进而传递到结构阻力伞接头，完成飞机减速的模拟。

优选的是，步骤S2进一步包括：构建拦阻系统模型，所述拦阻系统模型包括液压缸模型，通过控制液压缸的流量，从而控制拦阻力的大小，液压缸模型内部的柱塞采用非线性弹簧阻尼单元建立，将液压缸模型以及拦阻索模型进行组合，模型间建立接触，模拟刚体、柔性体之间的运动约束关系。

优选的是，步骤S3进一步包括构建跑道模型，将跑道模型、拦阻系统模型以及全机模型按照相对位置关系装配，初始化设定飞机速度、重量重心位置、俯仰角和滚转角信息。

本申请可以精确建立飞机和拦阻网的细节模型，在处理非线性接触问题上计算效率高，可以有效应用于型号设计中，解决飞机冲网动态特性的模拟。

附图说明

图1为本申请飞机冲击拦阻网动态特性计算方法一优选实施例的流程图。

图2为拦阻网单元示意图。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。

本申请提供了一种飞机冲击拦阻网动态特性计算方法，如图1所示，主要包括：

步骤S1、构建包含飞行员模型、起落架模型及减速伞模型在内的全机模型；

步骤S2、构建拦阻网模型及拦阻系统模型，并组装成拦阻模型，所述拦阻网模型的拦阻网材料采用非线性材料本构，通过仅用来承受拉力的一维单元模拟网轴线位置，通过仅承受剪切、弯矩及扭矩的二维单元模拟网外表面位置，通过判断接触物体的节点与拦阻网表面二维单元穿透数据，计算接触力，之后通过力的矢量叠加得到一维单元的节点力；

步骤S3、基于所述全机模型及所述拦阻模型进行飞机冲网仿真；

步骤S4、确定冲网过程飞机与拦阻网的运动过程以及获取设定部件的载荷历程。

本申请首先需要建立全机模型，具体包括：

第一步，飞机细节模型建立：

采用显式有限元方法，建立包含机体结构有限元模型。机体结构需建立包括飞机雷达罩、机翼前缘、座舱盖等三维实体模型和飞机其他关键部件的二维模型，同时具有装配关系的设备模型间建立运动副，模拟运动约束关系。

第二步，起落装置模型建立：

起落装置不仅承受飞机滑跑过程来自地面以及刹车系统的载荷，同时也是飞机冲击拦阻网受力的关键部件。起落装置包括轮胎、起落架支柱、活塞杆、轮轴、轮毂等结构。轮胎是飞机主要的缓冲装置之一，为了精确模拟轮胎特性，需要将轮胎内部结构依次建立。轮胎橡胶采用实体单元建模，采用粘弹性材料本构；帘布层采用膜单元建模，采用织物材料本构；轮毂采用壳单元建模，赋予刚体属性；气囊采用封闭气体建模，并赋予理想气体属性；轮胎与甲板之间建立非线性接触；最后通过建立轮胎虚拟静压实验，与实验数据对比、校正轮胎模型；采用刚柔耦合方法建立起落架动力学模型，赋予起落架支柱、活塞杆、轮轴、轮毂模型刚体属性，采用非线性弹簧阻尼单元建立缓冲器模型，活塞杆与起落架支柱之间建立非线性接触，最后将其与轮胎模型组合进来。

第三步，阻力伞模型建立：

阻力伞作为飞机减速的关键部件，往往在陆基飞机着陆过程中使用，在舰载机上面没有使用。阻力伞模型由伞绳和伞组成，伞绳由一维绳索单元进行模拟，主要承受轴向拉力。伞由二维膜单元进行模拟，承受面外气动力。通过将气动载荷施加到伞单元，进而传递到结构阻力伞接头，完成飞机减速的模拟。

其次，本申请需要建立拦阻模型，具体包括：

第四步，拦阻网模型建立：

拦阻模型包括拦阻系统模型和拦阻网模型，拦阻系统模型是将飞机着舰或着陆时的动能通过阻拦装置转化为工作液体的热能和蓄能器内的压力能使飞机逐渐停下来，航母上拦阻网系统与拦阻索系统可通用。

拦阻网模型包括编织网以及悬挂支撑索。在飞机高速冲击下，拦阻网会产生较大变形，表现为柔性特性，拦阻网材料采用非线性材料本构。拦阻网模型建立选用独特形式的单元，不同于传统绳索单元在模拟接触时因穿透过大而造成接触不收敛计算失败，本文采用的拦阻网单元可以有效模拟与飞机径向非线性接触，同时还能够承受轴线力，通过设置破坏准则可以模拟拦阻网被冲破的过程。

独创的特殊单元形式上采用一维+二维单元模拟拦阻网，如图2所示。其中一维单元用于模拟网轴线位置，它仅可以承受拉力，不能承受压力，也不能承受弯矩及扭矩。二维单元用于模拟网外表面位置，它仅可以承受剪切以及弯矩及扭矩，但不参与传递轴向拉、压力。通过判断接触物体的节点与拦阻网表面二维单元是否穿透以及穿透距离的大小，计算出接触力，后通过力的矢量叠加得到中心一维杆单元节点力。通过该形式单元可以有效地模拟出拦阻网的柔性波动特性，同时还可以模拟拦阻网预紧状态以及自然悬垂状态。

液压缸模型主要由缸体和柱塞组成，通过控制液压缸的流量，从而控制拦阻力的大小，内部的柱塞采用非线性弹簧阻尼单元建立；将液压缸模型以及拦阻索模型进行组合，模型间建立接触，模拟刚体、柔性体之间的运动约束关系。

之后，还需要构建飞行员人体相关模型：

根据航空标准选择HybridⅢ型假人建立飞行员假人模型以及相关座椅和防护模型，通过分析冲网过程飞行员与座舱内结构、设备和座舱盖可能发生的碰撞情况以及飞行员受到的冲击过载，评估对飞行员的损伤危害。

之后，在步骤S3中，进行飞机冲网仿真分析：将母舰甲板或跑道、拦阻网系统以及飞机模型按照相对位置关系装配，设定飞机速度、重量重心位置、俯仰角和滚转角等信息，进行冲网分析。

最后，对仿真分析结果进行后处理：输出冲网过程飞机与拦阻网的运动过程，判定冲网拦阻结果，绘制关键部件载荷历程，给出损伤部位以及损伤程度。

本申请可以精确建立飞机和拦阻网的细节模型，在处理非线性接触问题上计算效率高，可以有效应用于型号设计中，解决飞机冲网动态特性的模拟。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本申请作了详尽的描述，但在本申请基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本申请精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本申请要求保护的范围。

Claims (7)

1.一种飞机冲击拦阻网动态特性计算方法，其特征在于，包括：

步骤S1、构建包含飞行员模型、起落架模型及减速伞模型在内的全机模型；

步骤S2、构建拦阻网模型及拦阻系统模型，并组装成拦阻模型，所述拦阻网模型的拦阻网材料采用非线性材料本构，通过仅用来承受拉力的一维单元模拟网轴线位置，通过仅承受剪切、弯矩及扭矩的二维单元模拟网外表面位置，通过判断接触物体的节点与拦阻网表面二维单元穿透数据，计算接触力，之后通过力的矢量叠加得到一维单元的节点力；

步骤S3、基于所述全机模型及所述拦阻模型进行飞机冲网仿真；

步骤S4、确定冲网过程飞机与拦阻网的运动过程以及获取设定部件的载荷历程。

2.如权利要求1所述的飞机冲击拦阻网动态特性计算方法，其特征在于，步骤S1进一步包括：

采用显式有限元方法，建立包含机体结构的有限元模型，所述机体结构的有限元模型至少包括飞机雷达罩、机翼前缘、座舱盖的三维实体模型，同时具有装配关系的设备模型间建立运动副，模拟运动约束关系。

3.如权利要求1所述的飞机冲击拦阻网动态特性计算方法，其特征在于，步骤S1进一步包括：

采用刚柔耦合方法建立起落架动力学模型，赋予起落架支柱、活塞杆、轮轴、轮毂模型刚体属性，采用非线性弹簧阻尼单元建立缓冲器模型，活塞杆与起落架支柱之间建立非线性接触，最后将其与轮胎模型组合进来；

所述轮胎模型单独构建，轮胎橡胶采用实体单元建模，采用粘弹性材料本构，帘布层采用膜单元建模，采用织物材料本构，轮毂采用壳单元建模，赋予刚体属性，气囊采用封闭气体建模，并赋予理想气体属性，轮胎与甲板之间建立非线性接触。

4.如权利要求3所述的飞机冲击拦阻网动态特性计算方法，其特征在于，构建所述轮胎模型后，进一步包括通过建立轮胎虚拟静压实验，通过实验数据校正轮胎模型。

5.如权利要求1所述的飞机冲击拦阻网动态特性计算方法，其特征在于，步骤S1进一步包括：

构建阻力伞模型，阻力伞的伞绳由一维绳索单元进行模拟，承受轴向拉力，阻力伞的伞面由二维膜单元进行模拟，承受面外气动力，通过将气动载荷施加到伞单元，进而传递到结构阻力伞接头，完成飞机减速的模拟。

6.如权利要求1所述的飞机冲击拦阻网动态特性计算方法，其特征在于，步骤S2进一步包括：构建拦阻系统模型，所述拦阻系统模型包括液压缸模型，通过控制液压缸的流量，从而控制拦阻力的大小，液压缸模型内部的柱塞采用非线性弹簧阻尼单元建立，将液压缸模型以及拦阻索模型进行组合，模型间建立接触，模拟刚体、柔性体之间的运动约束关系。

7.如权利要求1所述的飞机冲击拦阻网动态特性计算方法，其特征在于，步骤S3进一步包括构建跑道模型，将跑道模型、拦阻系统模型以及全机模型按照相对位置关系装配，初始化设定飞机速度、重量重心位置、俯仰角和滚转角信息。

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