大型民機襟翼間交聯系統設計方法研究

周曉宸, 羅宇波, 薛璞, 陸建國

1.西北工業大學 航空學院, 陜西 西安 710072;2.陜西省沖擊動力學與工程應用重點實驗室, 陜西 西安 710072; 3.上海飛機設計研究院, 上海 201210

襟翼系統能顯著增大飛機起降階段機翼最大升力,提高飛機起降性能,還有利于提高巡航階段機翼翼型的氣動效率,目前已成為大型民機的標準配置。通常,大型民機的每側機翼上均設置有多個襟翼,這些襟翼由獨立的襟翼驅動單元同步驅動[1-4]。

襟翼系統提高了大型民機的飛行效率,但是它的故障也會嚴重影響飛機的飛行安全。為了提高系統的安全性和可靠性,針對襟翼系統故障的研究非常重要[5]。根據文獻[6]對襟翼故障的說明,“有幾種故障情形較易發生且必須被考慮:襟翼在飛機飛行時發生的結構失效;飛機在巡航階段襟翼非正常放出以及飛機在起飛和降落時襟翼的收放故障。同時,襟翼系統最易出故障的地方是襟翼支撐結構和驅動單元。”為了在襟翼支撐結構或襟翼驅動單元發生故障的情況下保證飛機的飛行安全性,在相鄰的襟翼之間安裝保護機構,稱作襟翼間交聯系統(ICS)。當襟翼系統發生故障如某一驅動單元脫開時,其他驅動單元及襟翼系統結構受到沖擊,威脅襟翼系統安全。在這種情況下,ICS能為襟翼系統提供新的傳力路徑,降低襟翼系統的強度風險,避免損害襟翼機構。在我國大飛機快速發展的背景下,非常有必要開展相關的ICS研究,從而為我國大型民機襟翼系統的設計提供技術支持,同時ICS設計也是我國飛機設計領域急需解決的一個研究重點和難點。本文對ICS的設計方法開展研究,提出ICS的設計參數,明確ICS對吸能元件的吸能特性要求,并評價ICS對襟翼系統的故障抑制。

1 襟翼間交聯系統基本構型與工作原理

ICS是一種在襟翼故障時,減小襟翼故障載荷維持襟翼功能的冗余設計。作為冗余設計,在襟翼系統正常工作過程中,ICS應避免對襟翼系統產生影響;而一旦襟翼故障發生后,ICS應起到2種作用,一是在內外襟翼之間增加傳力路徑,限制故障工況下內外襟翼的相對運動,保持內外襟翼運動的同步性;二是通過ICS內部的吸能裝置吸收襟翼系統中的沖擊能量,減小襟翼系統中的故障載荷,確保襟翼系統安全性和可靠性。多年以來,國內外的研究人員提出了多種ICS設計以實現ICS的主要功能。可以將這些ICS主要分為連桿型、套簡型、杵架型3類。

1.1 連桿型ICS

連桿型ICS[7-8]通常以連桿和鉸鏈組成,通過鉸鏈的旋轉避免對襟翼系統正常運動產生影響。連桿型ICS結構簡單,僅能實現增加傳力路徑的功能,不能吸收襟翼系統故障工況下沖擊能量。此型屬于ICS的早期設計,如圖1所示。

圖1 內外襟翼交聯機構[7]

1.2 套筒型ICS

套筒型ICS[9-11]的典型結構由內外套筒組成,內外套筒間保留自由行程,避免影響襟翼系統正常運動。當內外襟翼運動不同步過大時,內外套筒相互卡死,以限制故障進一步發生,并提供新的傳力路徑。同時,內外套筒之間往往還設立了吸能元件,在故障發生時,起吸收沖擊能量、降低故障載荷的作用,如圖2所示。

圖2 有阻尼件的襟翼連接裝置[11]

1.3 桁架型ICS

桁架型ICS[12]由幾組連桿和鉸鏈組成,通過對多組連桿系統的合理設計,實現對大型民機襟翼系統適配。2009年,美國專利局公開的專利介紹了一種應用于大型民機的襟翼間交聯系統,如圖3所示。

在國內研究者方面,中國商飛[13]于2017年公布的一種套筒型的內外襟翼交聯裝置,如圖4所示。該裝置由同軸的活塞桿(1)和活塞筒(2)組合而成,當某一襟翼發生故障時,內筒之間產生相對運動,外套筒內側的擠壓面和內套筒外側的擠壓面互相擠壓產生軸向力,以實現運動緩沖,同時擠壓面之間的鋸齒抱緊,可以實現逆向鎖死功能。

圖3 應用于大型民機的襟翼間交聯系統[12]

圖4 內外襟翼交聯裝置[13]

此外黃勇等[14]還對某型飛機襟翼系統脫開故障工況下,有交聯機構的襟翼系統故障載荷進行了分析。但是并未對交聯機構作用效果的影響因素作進一步分析。

2 襟翼間交聯系統的設計與襟翼故障工況的仿真分析

2.1 襟翼間交聯系統的設計方法

本研究建立了襟翼系統的剛柔耦合多體動力學模型,其中襟翼、滑軌、驅動桿、搖臂等部件設為柔性體,而滑車被設為剛體,如圖5所示。在多體動力學商用軟件Adams中,對襟翼系統模型進行剛柔耦合多體動力學分析。

圖5 襟翼系統多體動力學模型

通過襟翼系統正常工況下的剛柔耦合動力學分析,得到內外襟翼由于運動機構差異和氣動載荷作用導致的ICS安裝點距離發生變化,如圖6所示,說明內外襟翼并非完全同步運動，并可確定ICS的臨界位移。

圖6 ICS安裝點距離變化

ICS中吸能元件的平均壓潰載荷是ICS的另一個主要設計參數。如果平均壓潰載荷過低,會導致ICS吸能行程過大;而平均壓潰載荷過高,則可能無法觸發ICS中的吸能元件,達不到ICS的設計目的。

交聯系統中的吸能元件特性曲線如圖7所示。當ICS位移量到達臨界位移后,吸能元件開始工作,并維持平均壓潰載荷。

圖7 吸能元件特性曲線

通過模擬襟翼系統單驅動故障工況 并基于建立的襟翼系統多體動力學模型進行故障工況仿真,得到在單驅動脫開故障的工況下襟翼系統的故障響應。表1中是在不同平均壓潰載荷下,襟翼故障工況中ICS的壓縮行程、吸收的能量以及交聯系統驅動單元扭矩之間的比值。可以看出隨著ICS平均壓潰載荷的提高,ICS的壓縮行程和吸收的能量均逐漸降低,而驅動單元扭矩則變化不大。

在85戶調查者中，有高中以上學歷的人員占26.2%，其余為初中及以下學歷。經營面積在1.33 hm2以上的竹農均為臨安農民技術帶頭人，還有一位獲得了省級農技大師的稱號。由此說明，只有提高農業生產經營者的科技知識、管理能力等素質，農業規模經營的效益才能得到保證。

表1 不同平均壓潰載荷下ICS的壓縮行程、吸收的能量及驅動單元的扭矩比值

2.2 襟翼間交聯系統的設計

通過2.1節中ICS的設計方法,設計的ICS結構如圖8所示。該ICS為套筒型,主要由ICS的內套筒、外套筒和吸能元件構成。

圖8 ICS動力學模型

本文ICS中的吸能元件為膨脹管,通過摩擦和材料的塑性變形來耗散能量,其工作原理如圖9所示,其實物的變形如圖10所示。

圖9 膨脹管工作原理示意圖 圖10 膨脹管變形實物圖

根據Liu和Qiu提出的2段式弧形模型[15],膨脹管的平均壓潰載荷可以表示為

(2+μ·cotα)

(1)

r2=r0+t0(1-cosα)+

(2)

式中:F和Y分別為膨脹管壓縮載荷和膨脹管材料屈服應力;r0和r2分別為膨脹管初始半徑和管件膨脹后的半徑;t0為膨脹管初始壁厚;α為錐形沖頭倒角;μ為沖頭和管件間的動摩擦因數。

膨脹管的材料選用鋁合金7050,采用雙線性本構模型，其材料參數見表2。

表2 AL7050材料參數

使用商用有限元軟件Abaqus,對ICS模型進行沖擊動力學仿真,得到ICS在沖擊工況下的載荷位移曲線圖,如圖11所示。由于吸能元件的剛度與強度都遠小于ICS中的其他部件,ICS的載荷位移特性主要由其吸能元件決定。

圖11 ICS的載荷位移曲線

2.3 襟翼系統故障工況下的仿真分析

將上述ICS應用于襟翼系統模型,聯合前處理商用軟件Hypermesh和多體動力學分析商用軟件Adams,對襟翼系統單驅動脫開故障進行仿真。

圖12中展示了在襟翼系統故障工況下,ICS安裝前后ICS安裝點距離變化的對比,以及單驅動脫開后另一驅動單元上驅動載荷的對比。在圖12a)中,L1和L2分別為安裝ICS前后ICS安裝點間距離最大值。可見在安裝ICS后,ICS安裝點間距離最大值減小了66.2%。說明ICS能夠抑制內外襟翼之間運動的不一致性。在圖12b)中,M1和M2分別為安裝ICS前后襟翼系統驅動單元的驅動載荷峰值。可見,在安裝ICS后,襟翼系統驅動載荷峰值減少45.3%。說明ICS起到了吸收沖擊能量、降低故障載荷的作用。

圖12 襟翼有無安裝ICS的響應對比圖

襟翼系統在單驅動脫開故障工況下, ICS安裝前后各部件的最大應力變化如表3所示。

表3 襟翼系統各部件安裝ICS前后最大應力對比

對于與外襟翼相關的部件如外襟翼和3,4號驅動單元,ICS的安裝可以大大降低其最大應力水平;而對于與內襟翼相關部件如內襟翼和1,2號驅動單元,ICS的安裝則增加了其最大應力水平,但在襟翼單驅動脫開故障中,由于內襟翼上應力水平相比外襟翼較低,其應力水平仍在允許的范圍內。在安裝ICS后,在襟翼單驅動脫開故障中,整個襟翼系統中的整體應力水平降低。

綜上所述,襟翼系統故障發生后,在安裝ICS的工況下,內外襟翼之間的相對運動減小,故障襟翼的峰值載荷降低,同時襟翼系統中的整體應力水平降低,避免了襟翼系統在故障后的沖擊中進一步損壞。

3 結 論

為了提升大型民機襟翼系統的安全性和可靠性,本研究建立了一種ICS設計方法,并提出了一種ICS的設計方案,通過分析有、無ICS下襟翼系統的故障響應,表明ICS可使襟翼系統故障驅動載荷降低45.3%,內外襟翼間ICS安裝點相對運動最大值減小66.2%,襟翼系統應力水平降低,驗證了ICS設計的有效性。