折疊翼緩沖裝置參數確定分析

李玉亮，付 凡

（1．中國航空工業洪都，江西 南昌330024；2．空軍駐江西地區軍事代表室，江西 南昌330024）

折疊翼緩沖裝置參數確定分析

李玉亮1，付 凡2

（1．中國航空工業洪都，江西 南昌330024；2．空軍駐江西地區軍事代表室，江西 南昌330024）

對某折疊翼所采用的金屬橡膠緩沖器的設計參數進行了研究。本文采用準靜態接觸有限元分析與ADAMS動力學仿真結合的方法，將剛體動力學接觸碰撞剛度與有限元接觸剛度相融合，確定了等效的緩沖裝置線彈性材料參數，最后得到了不同驅動力與緩沖裝置組合下折疊機構展開到位的沖擊載荷，可為展開機構設計及緩沖裝置工程研制提供參考。

折疊翼；金屬橡膠；緩沖；接觸分析；動力學仿真

0 引言

在某縱向折疊翼展開到位過程中，翼面沖擊面碰撞壓縮金屬橡膠緩沖片，通過緩沖片變形將折疊翼動能轉化為緩沖片內能，從而起到緩沖作用。

為實現折疊翼展開之后的緩沖要求，需要確定合理的金屬橡膠的屬性參數。在折疊翼剛性體動力學仿真過程中，翼面展開到位時的減速緩沖是通過剛性體翼面與緩沖片之間定義的接觸碰撞來實現的，緩沖效果主要受到ADAMS接觸參數的影響，不能夠得到緩沖裝置的材料屬性，因此需要一種方法，將ADAMS的接觸參數（碰撞剛度k）與緩沖材料屬性參數（彈性模量E）建立一種關系，以確定合適的材料參數。

金屬橡膠緩沖片宏觀彈性模量表現為非線性，其參數更多需通過試驗測得。本文采用準靜態接觸有限元分析與ADAMS仿真結合的方法，首先進行線性假設，將線性彈性模量設為優化變量，確定線彈性參數；得到合理的金屬橡膠緩沖裝置屬性參數彈性模量E。再根據能量等效方法，結合確定的線彈性參數、金屬橡膠性質和試驗，設計出符合指標的金屬橡膠緩沖裝置。因此，金屬橡膠宏觀彈性模量在動力學仿真時按照線彈性Elinear計算，緩沖片設計時按照緩沖片從0壓縮至Δlstandard時能量等效原則進行非線性彈性模量Enon設計。

1 準靜態接觸非線性有限元分析

1.1 接觸碰撞定義

在ADAMS/View中有兩種計算接觸力的方法，一種是恢復系數法；另一種是沖擊函數法。翼面與緩沖裝置的接觸碰撞屬沖擊接觸，在折疊翼虛擬樣機建模中的接觸定義中，采用沖擊函數法。沖擊函數法是根據IMPACT函數來計算兩個構件之間的接觸力，接觸力由兩部分組成：一個是由于兩個構件之間的相互切入而產生的彈性力；另一個是由相對速度產生的阻尼力。

在ADAMS的接觸碰撞函數中，定義的IMPACT碰撞力函數形式為：

式中，q0—兩個要碰撞物體的初始距離；

q—兩物體碰撞過程中的實際距離；

dq/dt—兩個物體間距離隨時間的變化率，即速度；

e—剛度貢獻指數；

cmax—最大阻尼系數；

d—全阻尼穿透值，決定阻尼力何時達到最大。為了防止碰撞過程中阻尼力的不連續，式中采用了step函數，其形式為step(x，x0，h0，x，h)

3）材料屬性定義

由于金屬橡膠材料的泊松比υ≤0.02，對緩沖片性能的影響很小，這里取0.02。

4）定義接觸

接觸設置里定義緩沖裝置為變形體，定義接觸曲面為剛性面。對緩沖裝置施加約束：圓孔底部約束6個自由度；約束內側表面法向上的自由度，如圖1所示。對剛性面定義運動方式為準靜態的繞軸轉動，直至緩沖裝置壓縮2mm，轉軸相對位置與實際情況相同，如圖2所示。

式中：a=h1-h0;Δ=(x-x0)/(x1-x0)。

1.2 接觸有限元分析

基于Patran進行建模并使用Marc求解，對緩沖裝置進行接觸分析，具體步驟如下：

1）創建幾何模型

在Patran中創建新數據庫文件，為保證緩沖裝置接觸分析的精度與幾何相似度，直接將緩沖裝置與翼面CATIA幾何模型導入。通過對翼面幾何模型的編輯，建立與翼面接觸面相同的曲面，然后將翼面實體模型刪除。

2）劃分有限元網格

采用手動劃分網格的方式，對緩沖裝置采用六面體網格劃分網格。

5）分析求解

分別對彈性模量E=150，300，400MPa時的模型進行接觸分析，輸出壓縮2mm過程中緩沖裝置的各節點上的位移變形和接觸力。400MPa情況下的位移變形和接觸受力分別見圖3和圖4。

2 緩沖裝置參數等效計算

2.1 彈性模量E與接觸力的關系

根據有限元分析計算，設接觸面從接觸緩沖裝置到壓縮2mm過程中轉動角度為φ，將φ九等分為9個角度，每個角度為φ，計算不同彈性模量下接觸面每轉過角度φ時的接觸力，記為角度1,2,…,9對應的接觸力，如表1所示。

表1 不同彈性模量下接觸過程中的接觸力(N)

對于線彈性材料，其接觸力與彈性模量成正比。對300MPa情況下轉動角度與接觸力關系曲線進行擬合，得到力與角度之間的關系：

因此對于任意彈性模量E，對應的接觸力：

圖5為采用Patran/Marc計算300Mpa情況下接觸力和角度關系后，擬合得到的曲線。

2.2 碰撞剛度k與接觸力的關系

在ADAMS中對翼面和緩沖裝置之間的準靜態接觸過程進行分析，定義緩沖裝置固定，翼面繞軸旋轉，如圖6。剛度貢獻指數取e=1，最大阻尼cmax取k=0，全阻尼穿透值取d=2mm。分別取k=10000，15000，20000，同樣計算翼面轉動9個角度φ達到壓縮2mm過程中的接觸力，結果如表2所示。

由表中的數據得出接觸力與碰撞剛度k也成正比。k=20000時，對接觸力與轉動角度關系曲線進行擬合，得到接觸力與角度關系式為：

表2 不同參數k下接觸過程中的接觸力(N)

同樣對于任意的系數k有：

圖7為Adams計算k=20000情況下接觸力和角度關系，并擬合得到的曲線。

2.3 緩沖裝置材料彈性模量的確定

通過Patran&Marc分析和ADAMS仿真，分別得到了彈性模量E與接觸力、碰撞剛度k與接觸力之間的關系，以角度為9時的接觸力為標準，即壓縮量達到2mm時，令Fe=Fk，若確定k的值，可以根據式（4）和式（6）求出相應的緩沖裝置等效彈性模量E。例如假設根據要求確定出k=20000，根據式（6）可以得到Fk=53981N，再利用式（4）即可反解出E= 235MPa，此時Fk與Fe對比如圖8。

3 緩沖裝置參數計算

分別對作動筒峰值壓強為8MPa、9MPa、10MPa三種工況改變不同的k值進行仿真計算，通過分析翼面展開到位時的緩沖效果：緩沖片最大壓縮量、速度下降比等因素得出，取緩沖片的最大壓縮量在2.7mm到2.8mm之間為最優，確定碰撞參數k后，再根據第二節計算緩沖裝置參數的理論方法，求出三種工況下對應的緩沖裝置彈性模量E。表3給出了三種工況下的計算結果。

表3 三種工況下仿真計算結果

4 結論

根據各工況下的計算結果與處理，可得：

1）通過有限元非線性接觸計算壓縮位移-載荷曲線與剛體動力學接觸計算位移-載荷曲線比對和迭代修正剛性體接觸參數，獲得的剛性體動力學接觸參數可用于模擬緩沖裝置壓縮過程。

2）利用該緩沖參數確定方法選取的緩沖材料參數，能使緩沖片最大壓縮量在2.2mm到3.05mm之間，緩沖碰撞壓縮2mm后，動能衰減超過50%，且最大壓縮量和最終壓縮量也均能滿足研制要求。

[1]白爭鋒,趙陽，等.含間隙太陽翼展開過程碰撞動力學研究.強度與環境，2008，35（4）.

[2]夏宇宏,姜洪源，等.金屬橡膠隔振器抗沖擊性能研究.振動與沖擊，2009,28(1).

[3]陳萌,張新訪，等.對接機構隔框鎖的接觸碰撞動力學研究及仿真.宇航學報，2002，23(6).

[4]郭寶亭,朱梓根，等.金屬橡膠材料的理論模型研究[J].航空動力學報,2004,19(3):314-319.

[5]李玉亮，田偉，等.折疊翼展開到位碰撞特性分析.南昌大學學報工科版，2012,34(3).

[6]李莉,任茶仙，等.折疊翼機構展開動力學仿真及優化.強度與環境，2007,34(1).

>>>作者簡介

李玉亮，男，1981年3月出生，2003年畢業于西北工業大學，高級工程師，現從事飛行器設計工作。

付凡，男，1974年10月出生，1999年畢業于空軍工程學院，碩士，工程師，現從事飛行器設計及科研管理工作。

Analysis on the parameters of buffer device for folded-wing

Li Yuliang1，Fu Fan2
(1.AVIC-HONGDU，Nanchang,Jiangxi，330024；2.Air Force Military Representative Office in Jiangxi,Nanchang，Jiangxi，330024)

After researching for overall characteristics of metal rubber buffer analysis,this thesis defines the equivalent elastic material parameters of the metal rubber buffer by combining the quasi-static contact finite element analysis to ADAMS dynamics simulation and by merging the rigid body dynamics contact collision rigidity with finite element contact rigidity.Ultimately,the impact load under different driving forces and metal rubbers combination is obtained when the folded-wing deploys to expected position,which provides reference for design of deploy mechanism and buffer engineering.

Folded-wing;Metal rubber;Cushion;Contact analysis;Dynamics simulation

2017-02-18）