飞机拦阻系统高速碰撞过程的数值模拟 - 文章

飞机拦阻系统高速碰撞过程的数值模拟

作者：北京航空航天大学闫晓军

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摘要：针对目前飞机拦阻系统缺少有效设计方法的现状，利用动力学有限元方法，对拦阻系统在飞机高速碰撞下的拦截过程进行了数值模拟。该方法较为真实地模拟了整个拦截过程，计算结果和试验测试数据一致，可以实现对网体的强度、结构设计；可以对飞机的破坏情况进行评估；同时，可以验证制动器的控制规律，进而对控制规律进行改进。本文方法可用于拦阻系统的实际设计。
关键词：飞机拦阻系统，数值模拟，有限元，碰撞

1 概述

飞机拦阻系统是一种重要的机场地面设施，主要用于陆基、舰基飞机的应急拦阻和舰基飞机的自由飞着陆等，是飞机着陆控制的辅助措施。拦阻系统对于保障飞机的起降安全，减少地面事故，起着非常重要的作用。

图1 陆基拦阻系统组成示意图

陆基的拦阻系统主要由以下几个主体部分组成(图1为拦阻系统的组成和工作示意图)：1)网体，一般由尼龙复合材料制作，是整个拦阻系统的捕获部分；2)制动器，是拦阻系统的关键部分。要求针对不同质量、不同撞网速度的飞机在限定距离内被拦停，且过载状况能够满足要求，需采取合适的控制规律设计。目前，其耗能方式主要有利用摩擦、水涡轮耗能等。3）立网机构，主要功能是实现网体的立、放。4）刹车带，连接制动器和网体，实现力的传递，要求抗拉强度好。

飞机拦阻系统的设计主要有以下几个难点：1）制动器的控制规律设计。目前此方面的研究已在国内展开[1]。2)网体结构的强度设计，目前主要是根据经验和网体材料静态力学性能、采取较大的裕度设计来保证实现拦阻功能。3)拦阻碰撞过程的数值仿真。通过数值模拟整个拦截过程，对控制规律和网体结构、强度设计的进行验证和改进。现有文献在控制规律设计时，均假设飞机为简单质量点，从而建立运动学和动力学方程进行求解，这和实际飞机的拦阻过程有差别[1,2]。

针对上述情况，本文采用动力学有限元方法，利用PAM-SHOCK软件作为求解器，对拦阻网的拦阻过程进行较为真实的模拟。通过对飞机和拦阻网的碰撞过程的数值模拟，了解网体结构设计的合理性，同时，可以有效检验控制规律的可行性，为网体结构强度设计、控制规律的验证提供一种直观、有效的设计方法。

2 计算模型

2.1 系统离散

利用有限元单元对拦阻系统的网体部分进行离散化建模。一般情况下，网体部分由多层如图2(a)所示的单层网组成。在有限元建模时，只能通过一层网来模拟，网体利用梁单元来实现离散，这样，随着网体竖带的数目增加，横向(水平方向)的梁单元长度会非常小。因此，建模时，整个网体的竖带的数目可进行适当比例的减小，而通过材料性能的比例强化来实现。网体部分的离散模型如图2(b)所示。

(a)实际单层网 (b)离散模型
图2 网体部分的离散

飞机采用solid 8节点实体单元进行离散。某型飞机经实体建模后，划分的有限元网格如图3所示。网体部分，飞机，刹车带(采用梁单元)经离散后，整个飞机拦阻系统的有限元模型如图4所示，其中，刹车带为局部。

图3 飞机的有限元模型图4 整个拦阻系统的有限元模型

2.2 控制规律的实现

对拦阻系统进行动态模拟时，怎样添加制动器对刹车带的控制力是数值模拟的一个难点。在实际飞机被拦截的过程中(如图5)，两边的刹车带经导向轮后不断被拖长，刹车带在导向轮处受到两个斜后方向的控制力，力的变化规律根据制动器的控制规律来调节。也就是说，控制力通过固定不动的导向滑轮作用在运动的刹车带上。根据上述的加载过程和有限元计算的特点，本次计算采用如下方式来实现控制力的加载：1）将制动器的控制规律(力随时间的变化规律F－t)转换为力随刹车带位移变化的规律(F－S)；2）将刹车带划分为间隔相等的梁单元，控制力施加在梁单元的节点上。3)节点上施加的力的大小将根据节点在刹车带所处的位置(即F－S函数关系)来确定(通过如图5所示的分解，添加在x和z两个方向)。每个节点上力开始作用的时刻t，持续时间段Δt，则根据图7的两条曲线得到(F-S-t关系)。也就是说，根据已有的制动器的控制规律（F－S－t），计算出只有正好运动到导向滑轮处的节点才被施加载荷，载荷作用持续时间为很小的Δt，当下一个节点运动至滑轮处后，上一个节点的受到的控制力就变为零。

图5 拦截过程中控制力的分解

图6 制动器控制力随时间变化规律(试验实测)

图7 制动器控制力随刹车带位移和时间变化曲线

2.3 材料模型

有限元建模时，网体和刹车带采用梁单元，其材料模型选用PAM-SHOCK提供的material type 205 材料模型，典型的网体竖带的材料拉伸试验数据如图8所示，材料数据将根据带的拉伸试验结果处理后得到。

图8 典型网体材料拉伸试验数据

由于碰撞速度较高，飞机的材料数据主要采用了Al-2024的材料数据，其强度模型选用Johnson-Cook模型来描述：

上式中，A=2.65 Kbar, B=4.26 Kbar, n=0.34, C=0.015, m=1.0, Tmelt=775k。材料的密度，根据飞机的体积和重量重新进行计算。

3 仿真结果

某型飞机重1.95吨，以63.89m/s速度撞向网体，对上述拦截过程的求解结果如图9所示，图中云图表示网体网带的受力大小。可以看到，通过数值模拟，可以对网体的结构、强度进行设计。同时，还可以对飞机的破坏程度进行评估。

图9 拦截过程中网体部分受力云图显示

飞机在拦截过程中的位移和过载变化如图10和图11所示，从图10可以看出，飞机的拦停距离为193.5m，而试验测得的拦停距离为196m，是非常接近的。另外，过载变化也符合飞机的拦截要求。可以看到，利用数值模拟方法，可以对控制规律进行验证和改进。

图10 拦截中飞机距离随时间的变化规律图11 飞机过载(加速度)随时间变化规律

4 结论

采用动力学有限元方法，实现了对拦阻系统的拦截过程数值模拟。该方法可用于对拦阻网的结构、强度设计，对制动器的控制规律进行验证和改进，同时，还可以对飞机的破坏情况进行评估，可用于飞机拦阻系统的设计。

非常感谢ESI Group中国公司对本文工作的支持！

参考文献
[1] 吴娟, 袁朝辉，某型飞机拦阻系统建模分析及仿真实现，空军工程大学学报(自然科学版)，Vol2, No.6，pp11-14, 2001。
[2] 胡孟权,林国华，舰载飞机着舰拦阻动力学分析，空军工程大学学报(自然科学版)，Vol.1, No.5, pp8-11，2000。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (4/8/2006)


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