楊　榮，呂繼航

(中航通飛研究院 強(qiáng)度研究室，廣東 珠海 519040)

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水陸兩棲飛機(jī)動(dòng)載荷特性數(shù)值分析

楊榮，呂繼航

(中航通飛研究院 強(qiáng)度研究室，廣東 珠海 519040)

現(xiàn)代飛機(jī)設(shè)計(jì)過程中，要考慮機(jī)體不同部位的動(dòng)態(tài)載荷特性。根據(jù)大型滅火水陸兩棲飛機(jī)使用模式的特殊性，利用流固耦合技術(shù)分析飛機(jī)著水時(shí)重心的過載和船底壓力響應(yīng)，利用氣動(dòng)力最小狀態(tài)擬合技術(shù)分析飛機(jī)投水和退場(chǎng)爬升時(shí)的動(dòng)載荷，利用模態(tài)法原理和功率譜模型分析飛機(jī)在離散突風(fēng)和連續(xù)紊流作用下的動(dòng)載荷。結(jié)果顯示，對(duì)于大型滅火水陸兩棲飛機(jī)，其著水載荷計(jì)算要考慮著水姿態(tài)、前飛速度、下沉速度、水面波浪的影響；飛機(jī)投水時(shí)機(jī)體的動(dòng)載荷響應(yīng)量不大，但大迎角退場(chǎng)時(shí)、投水動(dòng)載荷顯著增大；飛機(jī)遭遇突風(fēng)時(shí)機(jī)體的動(dòng)載荷量級(jí)與靜載荷相當(dāng)，應(yīng)對(duì)機(jī)體強(qiáng)度進(jìn)行補(bǔ)充校核。分析結(jié)果為大型滅火水陸兩棲飛機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

水陸兩棲飛機(jī)；動(dòng)載荷；著水；投水；突風(fēng)

水陸兩棲飛機(jī)兼具水上飛機(jī)和陸地飛機(jī)的特點(diǎn)，有使用成本低、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、用途廣泛等特點(diǎn)。因其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，世界各國(guó)十分注重該類飛機(jī)的研制。根據(jù)國(guó)家應(yīng)急救援體系建設(shè)和應(yīng)急救援裝備建設(shè)的需要，我國(guó)也于2009年啟動(dòng)了大型滅火水陸兩棲飛機(jī)的研制工作。

以往的飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要依據(jù)靜載荷進(jìn)行，包括水面載荷、突風(fēng)載荷等。但隨著飛行速度的增加、飛機(jī)尺寸的增大，彈性變形會(huì)導(dǎo)致動(dòng)態(tài)應(yīng)力的產(chǎn)生，就必須考慮機(jī)體不同部位的動(dòng)力響應(yīng)問題[1]。國(guó)外BE-200、CL-415水陸兩棲飛機(jī)設(shè)計(jì)過程中，均開展了充分的動(dòng)態(tài)載荷響應(yīng)分析[2～3]。國(guó)內(nèi)水陸兩棲飛機(jī)的動(dòng)載荷設(shè)計(jì)尚處于空白狀態(tài)，目前主要依據(jù)工程算法進(jìn)行靜載荷設(shè)計(jì)。

由于使用模式的特殊性，大型滅火水陸兩棲飛機(jī)在預(yù)期壽命內(nèi)，不僅要有在水面可重復(fù)安全起降的能力，還要保證飛機(jī)在投水過程中的安全性；而且，大型滅火水陸兩棲飛機(jī)在惡劣天氣下的出勤率要比其它運(yùn)輸類飛機(jī)高，遭遇大氣突風(fēng)的幾率更大。這些都對(duì)大型滅火水陸兩棲飛機(jī)的載荷設(shè)計(jì)提出了更高的要求，進(jìn)行動(dòng)載荷響應(yīng)分析就顯得尤為重要。

本文根據(jù)國(guó)家大型滅火水陸兩棲飛機(jī)型號(hào)研制的需要，對(duì)飛機(jī)水上起降、滅火投水和遭遇突風(fēng)時(shí)的動(dòng)響應(yīng)特性進(jìn)行研究，利用流固耦合模型和有限元模型分析計(jì)算飛機(jī)水上起降、滅火投水和遭遇突風(fēng)時(shí)的動(dòng)載荷，以期為飛機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1　分析理論

1.1著水動(dòng)載荷分析理論

為了滿足大型滅火水陸兩棲飛機(jī)在水面可重復(fù)成功起降的要求，設(shè)計(jì)時(shí)必須確保水上起降過程中結(jié)構(gòu)的完整性。要達(dá)到以上指標(biāo)，必須詳細(xì)分析飛機(jī)水上起降時(shí)的動(dòng)載荷特性。

水陸兩棲飛機(jī)著水過程屬于復(fù)雜的非線性問題，很難在理論上對(duì)其機(jī)理做出精確描述。目前，采用流固耦合技術(shù)的數(shù)值分析方法逐漸成為主要的分析手段。分析時(shí)，根據(jù)大型滅火水陸兩棲飛機(jī)結(jié)構(gòu)形式建立有限元模型，并根據(jù)著水影響區(qū)域要求建立流體模型，定義流體單元和結(jié)構(gòu)單元之間的耦合關(guān)系，再利用ALE耦合理論求解流固耦合模型，即可分析機(jī)體著水時(shí)的響應(yīng)特性[4-5]。

ALE耦合求解過程中，需要在時(shí)間域內(nèi)對(duì)積分方程進(jìn)行離散化。通常采用顯式積分法，飛機(jī)著水的運(yùn)動(dòng)方程如式(1)所示：

(1)

式中，n為當(dāng)前時(shí)間步；an、vn、dn為當(dāng)前時(shí)間步的加速度、速度與位移；M為質(zhì)量矩陣；C為結(jié)構(gòu)阻尼矩陣；K為結(jié)構(gòu)剛度矩陣；Fext為外載荷矢量。

對(duì)質(zhì)量矩陣求逆，則加速度如式(2)所示：

(2)

采用中心差分法進(jìn)行時(shí)間推進(jìn)，假設(shè)加速度在一個(gè)時(shí)間步內(nèi)是恒定的，即可求出結(jié)構(gòu)響應(yīng)，包括位移和速度，如式(3)所示：

(3)

得到模型質(zhì)點(diǎn)的速度響應(yīng)后，根據(jù)Gruneisen狀態(tài)方程可以求出水體作用在模型入水部分的壓力響應(yīng)，如式(4)所示：

(4)

式中，C為沖擊波速度us對(duì)質(zhì)點(diǎn)速度up曲線的截距，γ0是Gruneisen伽馬，a是γ0的一階體積修正，S1、S2、S3是us-up曲線斜率的系數(shù)，μ為相對(duì)體積，E為楊氏模量。

此外，為了模擬波浪水面，還需采用造波板進(jìn)行數(shù)值造波[6]。取水深為h、造波板水面下垂直深度為l、水面處搖幅為E，造波板做簡(jiǎn)諧搖擺運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生波浪，波浪幅值、波長(zhǎng)、周期分別為A、L、T。假設(shè)波浪傳播方向?yàn)檎?，x軸與水池底部平面重合，y軸與造波板處在垂直位置時(shí)重合，且方向向上，則搖板上不同水深處搖板的搖幅e如式(5)所示：

(5)

搖板的搖幅E和波幅A的關(guān)系[7]如式(6)所示：

A=K·E

K=

ω2=k0gtanh(k0h)

(6)

深水情況下，搖板的周期和波長(zhǎng)的近似關(guān)系如式(7)所示：

L=1.56T2

(7)

根據(jù)搖板的圓頻率、高度、搖幅、周期和水深等參數(shù)的調(diào)整，就可以模擬波浪的波高、波長(zhǎng)等情況。利用罰函數(shù)定義搖波板運(yùn)動(dòng)與水體運(yùn)動(dòng)間的耦合關(guān)系，就可以實(shí)現(xiàn)飛機(jī)在波浪水面的響應(yīng)分析。

1.2投水動(dòng)載荷分析理論

大型滅火水陸兩棲飛機(jī)滅火投水過程中，機(jī)體內(nèi)大量水的投放將引起飛機(jī)特性的連續(xù)變化，包括重量、重心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的突變，飛行載荷的突變等。參考大型飛機(jī)外掛物投放響應(yīng)分析的思路[8-9]，以投水前的配平狀態(tài)為初始條件，根據(jù)水量投放歷程進(jìn)行全機(jī)模態(tài)重分析，結(jié)合氣動(dòng)力最小狀態(tài)和拉氏反變換方法進(jìn)行時(shí)域氣動(dòng)力建模，分析大型滅火水陸兩棲飛機(jī)投水時(shí)的動(dòng)響應(yīng)。

分析時(shí)基于模態(tài)法，采用有限階結(jié)構(gòu)模態(tài)的線性組合描述飛機(jī)的投水運(yùn)動(dòng)，如式(8)所示：

(8)

式中，[M]、[B]、[K]分別為廣義質(zhì)量陣、廣義阻尼陣、廣義剛度陣，P0為氣動(dòng)力常量，P(t)為時(shí)域非定常氣動(dòng)力，f(t)為投水產(chǎn)生的沖擊載荷，{ξ}為廣義坐標(biāo)，[φ]為模態(tài)向量。

亞音速非定常氣動(dòng)力計(jì)算主要采用偶極子格網(wǎng)法，但得到的氣動(dòng)力均為頻域空間形式。為了滿足投水響應(yīng)分析要求，采用最小狀態(tài)(MS)法進(jìn)行氣動(dòng)力有理函數(shù)擬合[10]，然后利用拉氏反變換將頻域氣動(dòng)力轉(zhuǎn)換成時(shí)域形式，如式(9)所示：

(9)

投水過程中，機(jī)體承受的瞬態(tài)沖擊載荷如式(10)所示：

f(t)=mt·at

(10)

其中，mt、at分別為t時(shí)刻飛機(jī)的出水質(zhì)量和慣性加速度，各時(shí)刻的出水量可通過小孔出流理論模擬獲得。

為了便于求解，將式(8)、式(9)代入式(7)，并轉(zhuǎn)換到狀態(tài)空間[11]，如式(11)所示：

(11)

其中，A、B、C、D分別為系數(shù)矩陣。

采用數(shù)值積分求解狀態(tài)空間方程式(11)，即可得到飛機(jī)投水飛行時(shí)的動(dòng)響應(yīng)特性，包括位移、加速度等。根據(jù)機(jī)體加速度響應(yīng)進(jìn)一步可以確定慣性力分布，慣性力與氣動(dòng)力疊加就能得到機(jī)體的剪力和彎矩分布特性。

1.3突風(fēng)動(dòng)載荷分析理論

大氣中的突風(fēng)主要有離散突風(fēng)和連續(xù)紊流[12]。飛機(jī)遭遇突風(fēng)時(shí)會(huì)引起迎角和運(yùn)動(dòng)的改變，并產(chǎn)生附加的氣動(dòng)力和慣性力。

離散突風(fēng)形狀可假設(shè)為1-cos型，如式(12)所示：

(12)

其中，s為進(jìn)入突風(fēng)區(qū)的距離；H為突風(fēng)梯度，Uds為用當(dāng)量空速表示的設(shè)計(jì)突風(fēng)速度，如式(13)所示：

(13)

其中，Uref為當(dāng)量空速表示的參考突風(fēng)速度；Fg為飛行剖面緩和系數(shù)。

則飛機(jī)在離散突風(fēng)中的廣義氣動(dòng)力的描述如式(14)所示：

Qg=∫Lg(U,t){ξ}dy

(14)

確定突風(fēng)產(chǎn)生的氣動(dòng)力后，用瞬態(tài)響應(yīng)分析理論求解飛機(jī)的突風(fēng)運(yùn)動(dòng)方程，即可得到突風(fēng)作用下、機(jī)體結(jié)構(gòu)位移及載荷的時(shí)間響應(yīng)歷程[13]，如式(15)所示：

(15)

式中，Qh為升力面產(chǎn)生的廣義氣動(dòng)力，Qg為突風(fēng)產(chǎn)生的附加廣義氣動(dòng)力。

由于離散突風(fēng)是在時(shí)域內(nèi)定義的，分析時(shí)還要利用傅立葉變換將時(shí)域氣動(dòng)力轉(zhuǎn)換到頻域空間，分析完成后再利用反傅立葉變化將結(jié)果從頻域轉(zhuǎn)回時(shí)域[14]。

此外，實(shí)測(cè)表明，大氣中占優(yōu)勢(shì)的是連續(xù)紊流，因而連續(xù)紊流的概念更符合實(shí)際情況。實(shí)際的連續(xù)紊流是十分復(fù)雜的物理現(xiàn)象，為簡(jiǎn)化問題，可假設(shè)連續(xù)紊流是一個(gè)平穩(wěn)的、高斯分布的隨機(jī)過程，具有各向同性、均勻、各態(tài)歷經(jīng)、泰勒凍結(jié)場(chǎng)的特性。飛機(jī)連續(xù)紊流的運(yùn)動(dòng)方程與式(14)類似，只是突風(fēng)氣動(dòng)力具體形式不同。分析時(shí)，將連續(xù)紊流簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)諧突風(fēng)，則任一振型物面的廣義運(yùn)動(dòng)[15]如式(16)所示：

qj=Hj(iω)eiωt·{ξ}

(16)

其中，Hj為正則位移的頻響函數(shù)，ω為空間頻率。

根據(jù)亞音速偶極子格網(wǎng)法，利用式(16)可以得到紊流產(chǎn)生的附加廣義氣動(dòng)力，代入運(yùn)動(dòng)方程求解，即可得到位移頻響函數(shù)，如式(17)所示：

H(iω)=∑{ξ}jHj(iω)

(17)

其中，{ξ}j為第j階模態(tài)的振型向量。

由位移頻響函數(shù)可以求出加速度、剪力、彎矩、扭矩的頻響函數(shù)，進(jìn)而得到其均方根值，如式(18)所示：

(18)

其中，Hy為響應(yīng)量的頻響函數(shù)，Φ為突風(fēng)的功率譜密度函數(shù)，一般近似為vonKarman譜[16]，如式(19)所示：

(19)

式中，L為特征長(zhǎng)度，取值為760 m。

根據(jù)設(shè)計(jì)包線分析方法，由剪力、彎矩、扭矩的均方根值就能得到紊流響應(yīng)產(chǎn)生的動(dòng)載荷，如式(20)所示：

(20)

2　分析模型

在大型滅火水陸兩棲飛機(jī)著水響應(yīng)分析時(shí)，需要考慮水面波浪的影響，模型如圖1所示。其中，結(jié)構(gòu)有限元模型根據(jù)飛機(jī)結(jié)構(gòu)形式建立，并確定單元的幾何和物理屬性，采用分布質(zhì)量單元模擬飛機(jī)的重量、重心及慣性矩；水體采用六面體歐拉單元進(jìn)行模擬，并根據(jù)機(jī)體著水影響區(qū)域和精度要求確定水體區(qū)域尺寸為80 m×30 m×8.6 m；搖波板采用Lagrange單元進(jìn)行模擬，其轉(zhuǎn)軸位于板的根部，距離水面5.5 m。然后，采用罰函數(shù)方法定義水體單元與結(jié)構(gòu)單元之間的耦合關(guān)系。此外，機(jī)體入水時(shí)，水面會(huì)出現(xiàn)起伏，為了模擬水體流入空氣域產(chǎn)生的多相耦合，模型中還引入了空氣場(chǎng)，并在水-氣相交區(qū)域進(jìn)行了局部加密。分析時(shí)，為了不影響波浪的正常運(yùn)動(dòng)，水體邊界區(qū)域定義為無反射邊界條件，搖波板會(huì)根據(jù)給定的造波律繞轉(zhuǎn)軸做角位移運(yùn)動(dòng)，從而推動(dòng)水面產(chǎn)生一定高度、波長(zhǎng)的波浪。

圖1　大型滅火水陸兩棲飛機(jī)著水模型

在大型滅火水陸兩棲飛機(jī)投水響應(yīng)分析時(shí)，采用梁、殼單元建立結(jié)構(gòu)有限元模型。其中，機(jī)身、機(jī)翼、尾翼均簡(jiǎn)化為單梁結(jié)構(gòu)，取平行于肋或框的剖面，采用閉剖面理論計(jì)算剖面剛度特性，然后通過最小二乘法擬合得到剛心線，沿剛心線建立各部件的梁模型，部件之間采用柔性元連接；殼單元用于識(shí)別模型的振動(dòng)形態(tài)，其附加剛度很小，基本不影響模型的固有特性；此外，根據(jù)飛機(jī)的裝載狀態(tài)，采用多個(gè)集中質(zhì)量單元模擬飛機(jī)的質(zhì)量分布。氣動(dòng)建模時(shí)，忽略來流的三維效應(yīng)，對(duì)機(jī)翼、尾翼升力面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，利用亞音速偶極子網(wǎng)格法進(jìn)行非定常氣動(dòng)力計(jì)算。然后，以飛機(jī)自由飛行狀態(tài)為邊界條件，在模型上附加投水瞬態(tài)沖擊載荷和飛機(jī)出水量時(shí)間歷程兩個(gè)參數(shù)，利用數(shù)值積分進(jìn)行時(shí)域推進(jìn)，即可開展投水動(dòng)響應(yīng)分析。分析模型如圖2所示。

圖2　大型滅火水陸兩棲飛機(jī)投水模型

大型滅火水陸兩棲飛機(jī)突風(fēng)響應(yīng)分析的結(jié)構(gòu)模型、氣動(dòng)模型、邊界條件均與投水分析時(shí)一致。不同的是，需要在模型上附加1-cos型突風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行離散突風(fēng)響應(yīng)分析，并附加von Karman突風(fēng)功率譜進(jìn)行連續(xù)紊流響應(yīng)分析。

3　分析結(jié)果

3.1著水動(dòng)載荷數(shù)值分析結(jié)果

根據(jù)圖1所示模型，利用流固耦合技術(shù)分析了大型滅火水陸兩棲飛機(jī)的著水響應(yīng)特性。分析時(shí)，飛機(jī)典型的著水狀態(tài)如圖3所示，著水過載和著水壓力響應(yīng)的典型結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖3　典型工況著水瞬間示意圖

圖4　典型波浪著水狀態(tài)，飛機(jī)重心處的過載響應(yīng)

圖5　典型波浪著水狀態(tài)，飛機(jī)斷階處的壓力響應(yīng)

從結(jié)果來看，靜水面著水時(shí)，飛機(jī)重心處的最大過載為2.48 g，船底最大受水壓力為0.22 MPa，這些與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果基本一致[17]。但當(dāng)飛機(jī)著水姿態(tài)不同時(shí)，重心最大過載隨著水縱傾角的增大逐漸減小，至縱傾角6.4°時(shí)，重心最大過載又開始逐漸增大。飛機(jī)著水時(shí)的前飛速度、下沉速度增大，重心過載、船底受水壓力均增加。前飛速度60 m/s著水時(shí)，重心最大過載約為前飛速度50 m/s時(shí)的1.1倍；下降速度3 m/s著水時(shí)，重心最大過載約為下降速度1 m/s時(shí)的3.2倍?？梢姡笮蜏缁鹚憙蓷w機(jī)著水載荷計(jì)算要考慮著水姿態(tài)、前飛速度、下沉速度等多種因素的影響，而這些都是經(jīng)驗(yàn)公式難以考慮的[17]。

波浪著水時(shí)，飛機(jī)重心處的最大過載為4.20 g，船底最大受水壓力為0.34 MPa。經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的對(duì)應(yīng)狀態(tài)下飛機(jī)重心過載為3.79 g，船底最大受水壓力為0.31 MPa。可見，兩者計(jì)算結(jié)果相近，但對(duì)于大型滅火水陸兩棲飛機(jī)而言，采用水載荷經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可能會(huì)存在較大風(fēng)險(xiǎn)，采用著水動(dòng)載荷響應(yīng)分析結(jié)果則可以進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性。

3.2投水動(dòng)載荷分析結(jié)果

大型滅火水陸兩棲飛機(jī)投水響應(yīng)分析前，首先對(duì)飛機(jī)進(jìn)行了配平計(jì)算，然后在配平狀態(tài)基礎(chǔ)上，根據(jù)飛機(jī)出水量和沖擊載荷的時(shí)間歷程，進(jìn)行了飛機(jī)投水時(shí)的響應(yīng)分析。結(jié)果顯示，投水過程中，飛機(jī)重量、重心的變化導(dǎo)致飛行姿態(tài)不斷變化，飛行載荷也隨之變化。取機(jī)體各部位載荷歷程中的極值，組成飛機(jī)投水動(dòng)載荷單值包線，典型結(jié)果如圖6所示。從結(jié)果來看，投水時(shí)，機(jī)翼動(dòng)態(tài)剪力、彎矩的量級(jí)均與平飛狀態(tài)載荷相當(dāng)，且趨勢(shì)一致。

大型滅火水陸兩棲飛機(jī)投水作業(yè)完成后，還會(huì)以大迎角動(dòng)作進(jìn)行退場(chǎng)爬升，以便迅速脫離火區(qū)。根據(jù)飛機(jī)投水后的飛行狀態(tài)，以升降舵系統(tǒng)典型的操縱指令為輸入?yún)?shù)，進(jìn)行飛機(jī)機(jī)動(dòng)響應(yīng)特性分析。取各部位載荷歷程極值，組成飛機(jī)退場(chǎng)時(shí)的動(dòng)載荷單值包線，典型結(jié)果如圖7所示。從結(jié)果來看，飛機(jī)退場(chǎng)時(shí)，機(jī)翼動(dòng)態(tài)剪力、彎矩的量級(jí)均與機(jī)動(dòng)狀態(tài)載荷相當(dāng)，且趨勢(shì)一致。

綜上所述，與其它飛行載荷相比，大型滅火水陸兩棲飛機(jī)投水時(shí)機(jī)體的動(dòng)載荷不大，不影響飛行安全；但投水結(jié)束、大迎角退場(chǎng)時(shí)，機(jī)體的動(dòng)載荷顯著增大。因此，大型滅火水陸兩棲飛機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)限制飛機(jī)投水結(jié)束后的機(jī)動(dòng)爬升速率，以免機(jī)動(dòng)過快而影響飛機(jī)的安全性。

圖6　投水時(shí)機(jī)翼的動(dòng)載荷單值包線

圖7　退場(chǎng)時(shí)機(jī)翼的動(dòng)載荷單值包線

3.3突風(fēng)動(dòng)載荷分析結(jié)果

考慮大氣突風(fēng)的方向性，本文分析了大型滅火水陸兩棲飛機(jī)在離散突風(fēng)作用下的增量載荷響應(yīng)，并將增量載荷與對(duì)應(yīng)的1 g平飛狀態(tài)載荷疊加，得到了突風(fēng)產(chǎn)生的實(shí)際載荷響應(yīng)。取各部位載荷歷程極值，組成飛機(jī)離散突風(fēng)動(dòng)載荷單值包線，典型結(jié)果如圖8所示。從結(jié)果來看，離散突風(fēng)動(dòng)載荷單值包線與靜載荷包線量級(jí)相當(dāng)，趨勢(shì)一致。

同時(shí)，采用功率譜方法進(jìn)行了大型滅火水陸兩棲飛機(jī)的連續(xù)紊流響應(yīng)分析，但計(jì)算結(jié)果都是彎、剪、扭動(dòng)載荷的最大值，不能直接用于強(qiáng)度校核，需要對(duì)同一站位處的彎扭、剪扭載荷利用相關(guān)系數(shù)按照等值概率橢圓法進(jìn)行載荷組合[15]，典型的組合結(jié)果如圖9所示。從結(jié)果來看，連續(xù)紊流產(chǎn)生的彎矩、扭矩均與離散突風(fēng)載荷水平相當(dāng)，但其組成的組合載荷有可能會(huì)使結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平增大。

圖8　離散突風(fēng)作用下機(jī)翼動(dòng)載荷單值包線

圖9　平尾典型剖面動(dòng)載荷組合包線

綜上所述，與突風(fēng)靜載荷相比，離散突風(fēng)和連續(xù)紊流產(chǎn)生的動(dòng)載荷量級(jí)與靜載荷相當(dāng)，但機(jī)體個(gè)別部位的突風(fēng)動(dòng)載荷略大于突風(fēng)靜載荷，需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)充校核?？梢?，利用突風(fēng)動(dòng)載荷進(jìn)行大型滅火水陸兩棲飛機(jī)結(jié)構(gòu)的補(bǔ)充設(shè)計(jì)，可以提高機(jī)體強(qiáng)度的可靠性。

4　結(jié)論

根據(jù)國(guó)家大型滅火水陸兩棲飛機(jī)的研制需要，本文利用流固耦合技術(shù)分析了飛機(jī)著水時(shí)重心的過載和船底壓力響應(yīng)，利用氣動(dòng)力最小狀態(tài)擬合技術(shù)分析了飛機(jī)滅火投水和退場(chǎng)爬升時(shí)的動(dòng)載荷，利用模態(tài)法原理和功率譜模型分析了飛機(jī)在離散突風(fēng)和連續(xù)紊流作用下的動(dòng)載荷。從分析結(jié)果來看，對(duì)于大型滅火水陸兩棲飛機(jī)，其著水載荷計(jì)算要考慮著水姿態(tài)、前飛速度、下沉速度、水面波浪等因素的影響；飛機(jī)滅火投水時(shí)機(jī)體產(chǎn)生的動(dòng)載荷響應(yīng)量不大，但滅火結(jié)束后大迎角退場(chǎng)時(shí)，機(jī)體的動(dòng)載荷顯著增大；飛機(jī)遭遇突風(fēng)時(shí)機(jī)體產(chǎn)生的動(dòng)載荷量級(jí)與靜載荷相當(dāng)，但個(gè)別部位的突風(fēng)動(dòng)載荷略大于突風(fēng)靜載荷。

因此，應(yīng)特別關(guān)注大型滅火水陸兩棲飛機(jī)的動(dòng)載荷特性。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要依據(jù)動(dòng)載荷包線對(duì)機(jī)體強(qiáng)度進(jìn)行充分校核，必要時(shí)還要對(duì)機(jī)體部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)充設(shè)計(jì)。此外，還應(yīng)開展飛機(jī)載荷飛行試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證機(jī)體的動(dòng)態(tài)載荷特性，從而提高飛機(jī)的安全性。

[1] CCAR-23-R3.中國(guó)民用航空規(guī)章，第25部分：運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國(guó)民用航空總局，2004.

[2]Beriev Be-200ES Special Conditions[S]. Taganrog: Beriev Aircraft Company ,2007.

[3]Canada air CL-415 Special Conditions[S]. Montreal: Canada Air Ltd,2009.

[4]BENSCH L,SHIGUNOV V,S?DING H.Computational method to simulate planned ditching of a transport airplane[C].2nd MIT Conference Computational Fluid and Solid Mechanics,Boston,USA,2003.

[5]劉沛清,屈秋林,郭保東，等.數(shù)值計(jì)算技術(shù)在飛機(jī)水上迫降中的應(yīng)用[J].力學(xué)與實(shí)踐,2014(3):278-284.

[6]高學(xué)平,曾廣東,張亞.不規(guī)則波浪數(shù)值水槽的造波和阻尼消波[J].海洋學(xué)報(bào),2002,24(2):127-132.

[7]巴塔查雅.海洋運(yùn)載工具動(dòng)力學(xué)[M].北京:海洋出版社,1982.

[8]KARPEL M,PRESENTE E.Structural dynamic loads in response to impulsive excitation[J].Journal of Aircraft,1995,32(4):853-861.

[9]ZHANG S J,MEGANATHAN A,JAIN K.Effects of store separation on the aeroelastic behavior of wings[C].Honolulu：Aiaa Applied Aerodynamics Conference,2008:2008-6241.

[10]ZONA Technology,lnc.ZAERO Theoretical Manual,Version 8.2[M/CD].2009[2016-01-01].http://www.zonatech.com/ZAERO.htm.

[11]KARPEL M.Design for active flutter suppression and gust alleviation using state-space aeroelastic modeling[J].Journal of Aircraft,1980,19(3):221-227.

[12]Federal Aviation Regulations,Part 25-Airworthiness Standards: Transport Category Airplanes[S]. Washington, D.C.: Federal Aviation Administration,1980.[13]YANG G,OBAYASHI S.Numerical analyses of discrete gust response for an aircraft[J].Journal of Aircraft,2004,41(6):1353-1359.

[14]RoddenWP,JohnsonEH.MSCP.Nastran aeroelastic analysis user’s guideV68[M].LogAngeles:MSCCorporation,1994:657-698.

[15]朱位秋.計(jì)算飛機(jī)突風(fēng)載荷的功率譜法[M].北京:國(guó)外航空編輯部,1978.

[16]肖業(yè)倫,金長(zhǎng)江.大氣擾動(dòng)中的飛行原理[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1993.

[17]GJB 67.1A-2008. 中華人民共和國(guó)國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)軍用飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度規(guī)范，第5部分: 水上飛機(jī)的水載荷[S]. 北京：中國(guó)人民解放軍總裝備部,2008.

(責(zé)任編輯：劉劃英文審校：趙歡)

Dynamic load characteristics of large firefighting amphibious aircraft

YANG Rong,LV Ji-hang

(Strength Research Department,China Aviation General Aircraft Institute，Guangdong Zhuhai 519040,China)

Dynamic load characteristics of different parts in aircraft should be considered in the design of modern aircraft.In view of the particularity in usage mode of large firefighting amphibious aircraft,gravity center overload and pressure response of hull bottom during water landing were analyzed by fluid-solid coupling method,dynamic loads during fire-fighting water dropping and climbing to departure for aircraft were investigated based on the aerodynamic minimum-state fitting technology,and dynamic loads under the action of discrete gust and continuous turbulence were calculated using modal method principle and power spectrum model.Results show that calculation on water landing load for large fire-fighting amphibious aircraft should involve the effects of landing posture,forward flight speed,sinking velocity and water surface wave.The response of dynamic load during fire-fighting water dropping is not large,whereas it increases remarkably during climbing to departure with high angle.Dynamic load under discrete gust is the same magnitude as static load,but structure strength should be supplemented and checked.The results provide some references for structural design of large firefighting amphibious aircraft.

amphibious aircraft;dynamic load;water landing;water dropping;gust

2095-1248(2016)03-0018-07

2016-04-14

工信部民機(jī)科研項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：×××)

楊榮(1980-)，男，湖北荊州人，高級(jí)工程師，主要研究方向：飛機(jī)動(dòng)強(qiáng)度和氣動(dòng)彈性設(shè)計(jì)，E-mail:199231917@qq.com。

V211.47

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2016.03.003