基于有限元分析的飛機擋水板強度驗證飛行試驗方法

李 飛,孫 文,張海濤

(1.中國航空工業集團有限公司中國飛行試驗研究院,西安,710089;2.中國商用飛機有限責任公司上海飛機設計研究院,上海,201210)

飛機在積水、融雪、濕雪、干雪、積壓雪、冰[1]、濕冰、泥、碎石等污染跑道滑行和起降時,由輪胎滑跑產生的濺水可能導致起落架和襟翼等部件損傷,出現發動機推力持續下降、喘振、失速、熄火以及性能下降等問題,直接影響飛機的穩定性和操縱性,甚至可能釀成飛行事故[2]。CCAR-25.1091[3](d)(2)中規定:“飛機必須設計成能防止跑道、滑行道或機場其它工作場地上危險量的水或雪水直接進入發動機或輔助動力裝置的進氣道,并且進氣道的位置或防護必須使其在起飛、著陸和滑行過程中吸入外來物的程度減至最小?！?/p>

當飛機結構布局確定以后,為防止機輪產生的過量濺水進入發動機進氣道,國內外通常采取輪胎帶翻邊設計和機輪間加裝擋水板2種方式來改變濺水形態[4],以滿足適航審定要求,同時提升飛機在雨雪等復雜天氣中的運營能力。ARJ21-700飛機最初考慮的是主起落架機輪換裝翻邊輪胎,但在前期濺水研發試驗中發現當速度較大(≥45 m/s)時有明顯濺水進入到發動機進氣道,不滿足適航審定要求。究其原因是翻邊輪胎在高速時濺水控制效果明顯降低?？紤]到飛機結構布局更改帶來的高成本和長周期,為保證良好的擋水效果,主起機輪間加裝擋水板幾乎是唯一可行的途徑。如此一來,擋水板結構設計和強度驗證必須滿足2個要求:①結構設計盡可能減輕重量;②安全裕度要足夠。

強度驗證是保證結構安全并實現重量最輕化的有效手段,是軍用飛機性能鑒定/民用飛機適航審定的重要環節,其目的是在預期設定的各種嚴重工況下考核結構設計強度是否滿足國軍標規定/適航條款,并為載荷計算方法正確性驗證和結構設計合理性評估提供必要的依據。強度驗證通常包括分析和試驗2大體系方法,其中:分析主要包括工程經驗、理論計算、有限元分析、虛擬試驗[5-6]等;試驗主要包括地面試驗[7](如靜力試驗、耐久性試驗、損傷容限試驗、動態疲勞試驗、動力學試驗)和飛行試驗等?？紤]到結構本身和外部受載的雙重復雜性,飛行試驗可能是強度驗證中最值得信賴的手段。

目前,強度驗證飛行試驗主要采取應變法[8-9],即:通過改裝應變傳感器實測嚴重受載飛行狀態下的結構關鍵部位應力/應變[10-11],以完成強度校核和設計合理性評估,為性能鑒定/適航審定提供結論?；趹兎ǖ膹姸闰炞C包括3個環節:方案設計、應變改裝和飛行試驗,其中難點是應變傳感器改裝位置選取和試驗點設計。原因在于:如果改裝位置選取不準確,不僅無法為結構強度校核和設計合理性評估提供準確可靠的飛行實測數據,而且可能導致飛行試驗過程中擋水板結構關鍵受力部位監控不到位而發生破壞;如果試驗點設計不合理,則導致沒有考核到最嚴重工況,為后續結構改進和優化設計埋下隱患。針對以上問題,本文建立一種基于有限元分析的擋水板強度驗證飛行試驗方法,以期為其它復雜不規則結構提供借鑒。

1 濺水載荷計算

1.1 擋水板結構簡介

ARJ21-700飛機擋水板由鋁合金板加工而成,通過4個螺栓與主起落架緩沖支柱連接,位于主起落架2個機輪之間,如圖1(a)和(b)所示。

(a)擋水板

1.2 機輪濺水機理分析

當飛機在積水、融雪或其它液體覆蓋的污染跑道滑行、起降時,會發生濺起,這種現象稱為飛機機輪濺水。以起落架為基準,濺水的方向分為前方、側面和后方,對應的水花分別被稱為:①“艦首波”,也稱“輪前羽流”,是指由機輪的前向擠壓導致跑道上的積水被擠到機輪前面時形成的濺射水花;②“側向羽流”,是指由于機輪的側向擠壓導致跑道上的積水被擠到機輪側面形成的濺射水花;③“中間羽流”,也稱“雞尾流”,是指由于機輪起落架結構而導致的機輪間相互影響產生的濺射水花。其中,“艦首波”產生的阻力很小,對起落架、發動機造成的濺射沖擊影響可忽略不計[12]。

飛機機輪濺水的液滴形態和尺寸分布極為復雜,通常主要受飛機速度、積水深度、跑道形式、機輪幾何參數(包括寬度、直徑、胎壓等)、變形參數、側風及發動機吸力等因素影響。一般來說,在跑道積水深度不變的條件下,當飛機速度較小時,機輪前方的“艦首波”占主導[13],此時機輪側面產生的濺水比較少;隨著飛機速度的增加,“艦首波”的強度逐漸降低并趨于平坦[14],“側向羽流”和“雞尾流”的強度不斷增大且濺射位置不斷上升,當飛機速度接近打滑速度時,濺射強度達到最大且位置達到最高;當飛機速度繼續增加時,機輪逐漸與地面分離,“側向羽流”和“雞尾流”的濺射強度、高度將會下降,機輪前的艦首波逐漸消失。

打滑速度[15],是指飛機機輪離開地面時的速度,其計算公式可表示為:

(1)

式中:Vv表示打滑速度,單位為m/s;p表示飛機輪胎胎壓,單位為kPa;σ表示污染物相對于水的當量密度,其數值與跑道狀況有關,其中:σ干雪<0.2,0.2<σ雪<0.5,0.5<σ泥和冰<1.0,σ水=1.0。

ARJ21-700飛機主起機輪胎壓p=1 034 kPa,由式(1)計算,打滑速度Vv=55.1 m/s。因此,可以初步得出結論:“側向羽流”和“雞尾流”的濺射強度和高度隨飛機速度的增大呈先增大后減小的趨勢,其中峰值可能出現在55 m/s附近。

現代大型飛機大多采取多輪起落架布局,當多輪通過積水跑道時,每個機輪都會與積水相互作用,除了形成“艦首波”和“側向羽流”之外,機輪之間濺起的水流相互匯聚會形成“雞尾流”。相比于前兩者,“雞尾流”的形態更加復雜,其濺射強度更大、高度更高。通常情況下,前起落架機輪間形成的“雞尾流”可能會被機身所阻擋,但主起落架機輪間形成的“雞尾流”可能會越過機翼進入發動機進氣道[16-17]。因此,對于尾吊式發動機而言,主起機輪間形成的“雞尾流”尤其值得關注。

1.3 濺水載荷模型建立

ARJ21-700飛機采用雙發尾吊、前三點式單支柱雙輪起落架布局,后機身兩側上方配裝2臺大涵道比渦輪風扇發動機?；?.2節分析,并結合前期濺水研發試驗錄像,可以確認進入發動機進氣道的濺水主要來自主起落架機輪之間向后拋射形成的“雞尾流”,而向前方和側方的濺水量則很少,故本文僅對“雞尾流”作重點研究。

主起機輪間總排水量可表示為:

P=LHVT

(2)

式中:P表示機輪間總排水量,單位為m3;L表示主輪中心距,單位為m,ARJ21-700飛機主輪中心距為0.73 m;H表示水深,單位為m。根據AC咨詢通告對CCAR-25.1091(d)(2)中的解釋和規定,水深為0.012 7 m,按現有的跑道平整度,要滿足試驗要求,平均水深須達到0.018 m左右,考慮到跑道低洼處水深增加,因而這里濺水載荷計算水深取0.02 m;V表示飛機入水速度,單位為m/s;T表示濺水沖擊作用時間,單位為s。

考慮到擋水板與輪胎間隙有少部分濺水從前方和側面濺出,為方便計算,實際作用于擋水板的水量取總排水量的80%,即:

M=80%Pρ

(3)

式中:M表示實際作用于擋水板的水量,單位為kg;ρ表示水的密度,單位為kg/m3。

根據沖量公式,濺水沖擊對擋水板的總載荷可表示為:

(4)

式中:Ft表示濺水總載荷,單位為N;VW表示濺水速度,單位為m/s。

由于有限元分析中施加載荷為總載荷對擋水板的法向分量,故作用于擋水板的濺水載荷可表示為:

F=Ftsinθ

(5)

式中:F表示作用于擋水板的濺水載荷,單位為N;θ表示濺水載荷沖擊方向與擋水板受載面切向的夾角,單位為(°)。

通過分析,濺水速度與飛機入水速度極為接近,為方便計算,本文假設V=VW。

聯立式(2)～(5),濺水載荷可表示為:

F=80%LHV2ρsinθ

(6)

參考國際工程科學數據庫ESDU算法[18],計算可得不同入水速度下的濺水載荷F如表1所示,其變化曲線如圖2所示。(注:由于Ft和F數據量值差別較大,因此圖2采用2個不同縱坐標以更好地反映濺水載荷變化趨勢。)

表1 不同飛機入水速度下的濺水載荷

圖2 濺水載荷隨飛機入水速度變化曲線

從圖2可以明顯看出,濺水載荷F飛機入水速度V先增大后減小,其中最大值(16 782 N)出現在V=55 m/s時。

2 有限元分析

針對擋水板這種復雜不規則結構,傳力路徑復雜,無法簡化成板、梁等工程力學模型,在缺少足夠結構分析依據的情況下,僅憑理論分析和工程經驗無法精確地確定應力集中區域,因而無法準確地選取應變傳感器改裝位置。為解決這一問題,本節將開展擋水板有限元模型建立與分析工作,具體實施步驟包括網格劃分、材料屬性添加、約束建立、濺水載荷施加、應力分布情況確定及強度校核[19-20]。

Step1網格劃分。對擋水板采用六面體單元和四面體單元進行建模,保留了高應力區域附近過渡圓角等幾何特征,且對該區域的網格進行了局部細化。其中:有限元模型基本單元尺寸為3 mm,細化區域單元尺寸為1.5 mm,共劃分60 070 個單元,如圖3(a)所示。

(a)擋水板網格

Step2材料屬性添加。擋水板結構材料牌號為7050-T7451,彈性模量E=71 000 MPa,泊松比μ=0.33,屈服強度σb=462 MPa。

Step3約束建立。約束建立在擋水板兩側懸臂螺栓孔位置,將孔邊節點與孔中心建立剛性連接REB2,再約束孔中心節點沿軸向轉動以外的自由度,如圖3(b)所示。

Step4濺水載荷施加?？紤]到濺水分布可能存在不均勻性,故定義對稱和非對稱2種載荷工況。濺水載荷分別按1:1和1.5:1均勻地施加在擋水板2個半邊,分別如圖4(a)和(b)所示。

(a)對稱濺水工況

Step5應力分布情況確定。通過有限元分析得到12個濺水載荷工況(40 m/s、45 m/s、50 m/s、55 m/s、60 m/s、65 m/s)下的擋水板VonMises應力云圖。圖5和圖6分別為50 m/s和55 m/s擋水板 VonMises應力云圖。表2列出了不同飛機入水速度下的擋水板VonMises應力峰值。圖7為擋水板VonMises應力峰值σVmax隨飛機入水速度V的變化曲線。

表2 不同飛機入水速度下的擋水板VonMises應力峰值

(a)對稱濺水載荷工況

(a)對稱濺水載荷工況

圖7 擋水板VonMises應力峰值隨飛機入水速度的變化曲線

從圖5～圖7及表2可以看出:

1)擋水板結構整體應力分布合理,應力集中區域主要分布在耳片上沿和下沿,其中受載最嚴重部位位于擋水板下沿抗彎突變位置;

2)當V<50 m/s時,對稱和非對稱濺水載荷工況下擋水板受載基本相當;當V≥50 m/s時,非對稱濺水載荷工況下擋水板受載更為嚴重;

3)擋水板VonMises應力峰值隨飛機入水速度的增大先增大后減小,最大值212.6 MPa出現在V=55 m/s非對稱濺水工況。

Step6強度校核。根據文獻[21],計算擋水板結構有限元分析安全裕度M.S.F可得:

(7)

因此,通過有限元分析擋水板結構安全裕度足夠,滿足靜強度設計要求,并且仍有優化減重空間。值得注意的是,有限元分析結果正確與否還有待進一步通過飛行試驗進行驗證。

3 應變改裝

用于擋水板強度驗證的應變改裝應遵循以下原則:①應變傳感器改裝在結構主要傳力路徑上[22];②應變傳感器改裝在結構應力集中或較大區域;③應變傳感器改裝在易于實施且不易被破壞的部位;④合理選擇電橋類型;⑤應變傳感器及其導線做好安全防護;⑥導線鋪設不應干涉起落架收放,并遠離濺水沖擊區域。由第2節有限元分析結果可知,擋水板結構的應力集中區域主要分布在左/右耳片的上沿和下沿,因此確定擋水板的應變傳感器改裝位置如圖8所示。

(a)上沿

另外,為消除溫度變化對應變傳感器測量誤差的影響,并適當增大輸出響應,擋水板應變改裝電橋類型選擇惠斯通全橋。

4 飛行試驗

4.1 試驗點設計

根據第2節有限元分析結果可知,擋水板受載情況隨飛機入水速度的增大時間呈先增大后減小的規律,最嚴重工況為55 m/s,同時為避免出現滑水現象,試驗速度不應超過打滑速度太多且應小于抬前輪速度(VR=70 m/s),因此,確定ARJ21-700飛機擋水板強度驗證飛行試驗點如表3所示。飛行試驗科目包括5架次模擬起飛滑行和10架次模擬著陸,其中,模擬著陸涉及發動機最大反推、反推慢車和正慢車3種推力要求。

表3 ARJ21-700飛機擋水板強度驗證飛行試驗點

試驗時,飛機以定點等速的方式通過水池,并遵循“循序漸進”的原則,從小速度逐步逼近到大速度。同時,試驗過程中對飛機飛行狀態、發動機工作狀態及擋水板飛行實測應力等參數由機載數據采集器進行采集和記錄,并通過遙測系統傳輸至地面監控系統進行實時監控和處理。

4.2 試驗水池設計

依據合格審定要求,在機場跑道圍建長×寬×高=130 m×8 m×0.02 m蓄水池,如圖9所示?？紤]到機場跑道可能存在不平整的狀況,通過在水池內加裝格柵來保持水深的一致性。

圖9 試驗水池

4.3 試驗結果及分析

圖10為ARJ21-700飛機入水速度V=55 m/s擋水板飛行實測應力時間歷程。

(a)右耳片飛行實測

圖11和圖12分別為擋水板耳片上沿和下沿飛行實測應力峰值σTmax隨入水速度V的變化曲線。

(a)模擬起飛滑行構型

(a)模擬起飛滑行構型

通過分析試飛數據得到如下結果:

1)整個飛行試驗過程中,沒有明顯濺水進入發動機進氣道,沒有發生危及飛行安全的發動機推力持續下降、喘振、失速、熄火等不良工作特性,大氣數據系統和APU系統工作正常,滿足適航審定要求;

2)擋水板耳片下沿飛行實測應力明顯大于上沿,其中:左主起落架擋水板受載最嚴重部位為左耳片下沿,該測點飛行實測應力峰值為136.2 MPa,出現在模擬著陸構型試驗(V=56.1 m/s)中;右主起落架擋水板受載最嚴重部位為右耳片下沿,該測點飛行實測應力峰值為127.7 MPa,出現在模擬7起飛滑行構型試驗(V=55m/s)中;

3)擋水板左/右耳片上沿和下沿飛行實測應力峰值均隨飛機入水速度的增大先增大后減小,其中最大值均出現在入水速度為55 m/s附近。

因此,計算擋水板結構飛行實測安全裕度M.S.T可得:

(8)

5 結論

1)加裝擋水板可有效改變濺水形態,不僅滿足了適航審定要求,而且有效提升了ARJ21-700飛機在雨雪等復雜天氣條件下的運營能力;

2)擋水板VonMises應力峰值和飛行實測應力峰值均隨飛機入水速度的增大呈先增大后減小的規律,并且兩者最大值均出現在55 m/s附近,表明有限元分析與飛行試驗結果吻合良好,不僅驗證了濺水載荷模型和有限元模型的正確性,而且證明了有限元分析可以為復雜不規則結構的應變傳感器改裝位置準確選取和試驗點合理設計提供直觀可靠的依據,后續可為其他類似結構的載荷測量和強度驗證工作提供有益的參考和借鑒;

3)M.S.F=1.17,M.S.T=2.39,表明擋水板結構安全裕度足夠,滿足靜強度設計要求,并且仍有較大的減重空間,須進一步優化設計。