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一种快速求解飞机悬挂支架载荷的方法

发表时间：2020/1/8 来源：《科技新时代》2019年11期作者：李伟1 谭建2

[导读] 大型飞机舵面一般需要通过悬挂支架与安定面连接。为了分析悬挂支架的强度，需要先求得悬挂支架的载荷；常用的计算方法，如工程计算方法、自然网格有限元计算方法，存在求解精度不够或者是耗时较多的问题，不利于在飞机方案设计阶段应用。本文提出了一种求解迅速，且精度很高的计算方法，可用于方案设计阶段计算舵面悬挂支架载荷。

李伟1    谭建2
        摘要
            大型飞机舵面一般需要通过悬挂支架与安定面连接。为了分析悬挂支架的强度，需要先求得悬挂支架的载荷；常用的计算方法，如工程计算方法、自然网格有限元计算方法，存在求解精度不够或者是耗时较多的问题，不利于在飞机方案设计阶段应用。本文提出了一种求解迅速，且精度很高的计算方法，可用于方案设计阶段计算舵面悬挂支架载荷。


        1 引言
        方向舵、升降舵等舵面是飞机的重要部件之一，在飞机的操纵过程中起非常重要的作用。舵面一般通过悬挂支架固定在机翼或尾翼安定面后梁等结构处。为确保舵面的安全性，悬挂支架需要有足够的强度，因此，为了设计满足强度要求的悬挂支架结构，需要求得悬挂支架的载荷。为此，本文提出了一种可以快速且相对精确的舵面悬挂支架载荷求解方法。
        2 常用的悬挂支架载荷求解方法
        2.1 舵面载荷平均分配方法
        平均分配方法是将舵面载荷在各个悬挂支架之间按平均分配的原则分配。本方法是一种求解速度极快，但精度很差的一种方法，求得的悬挂支架载荷基本不能用作设计输入，一般不推荐采用。
        2.2 舵面载荷杠杆比分配方法
        舵面载荷一般可以视为各个切面的载荷之和。杠杆比分配方法是指：将舵面各个切面气动载荷在相邻两个悬挂支架悬挂点之间按杠杆比分配，分切面在两个悬挂点之间、在两个悬挂点之外两种情况，
        本方法可以可以得到相对精确的悬挂支架载荷。但由于舵面切面载荷在各个悬挂之间的分配还会受到舵面刚度的影响，本方法没有考虑舵面刚度的影响，因此，某些情况下，本方法仍然存在较大误差。
        2.3 自然网格有限元分析方法
        自然网格有限元分析方法是将舵面按自然框架结构简化后，建立有限元模型，并施加有限元节点载荷进行求解。这种方法求得的接头载荷，精确度很高，缺点是需要耗费较多的人力和时间成本。因此，本方法适用于初步设计阶段，但不适用于方案阶段评估悬挂支架的载荷。
        3梁元简化求解方法
        为了快速且准确的求解悬挂支架的载荷，本文提出了一种对自然网格有限元方法进行简化的方法，即将舵面简化为一个梁，梁由若干梁元（CBAR或者CBEAM单元）组成；梁元的刚度数据与舵面一致或近似（通过切面计算等方式可以求得每个切面的刚度数据）。简化后的有限元模型见图1。
        对舵面外载荷进行处理，求出舵面各个切面载荷对相应位置有限元节点的作用力及铰链力矩，保证施加载荷与外载荷一致。
        进行有限元分析求解时，将切面载荷作用于偏置梁元的节点上；对悬挂支架与安定面连接部位采取刚性或柔性约束（推荐采用柔性约束，即将悬挂支架连接到安定面后梁处）；采取适当的措施约束梁绕舵面铰链轴线的转动，如直接施加局部坐标系下绕铰链轴线的转动，或者将舵面操纵机构的的结构件也简化为有限元模型。

        图1 舵面简化后的有限元模型
        本方法已在大型灭火/水上救援水陆两栖飞机悬挂支架载荷求解过程中得到应用，求解速度快，且计算结果较为理想：将计算结果与自然网格有限元分析方法的计算结果相比较，结果表明本方法的误差在10%以内（表1）。对于方案设计，这种方法已经达到足够的精度。
        表1 梁元简化求解方法的误差

        4 结论
        本文提出了一种将飞机舵面简化为梁元，并求解舵面悬挂支架载荷的方法。该方法可在较短的时间内求得足够精确的悬挂支架载荷，以便设计悬挂支架及连接结构。本方法可用于飞机方案设计或初步设计阶段。
        参考文献
        1 飞机设计手册，第10册，航空工业出版社，2000。
        2 李伟，大型灭火水上救援水陆两栖飞机垂直安定面与方向舵连接静强度计算报告，B，2015。
        作者信息
        1 李伟，就职于中航通飞研究院有限公司，从事飞行器强度设计专业。
        2 谭建，就职于中航通飞研究院有限公司，从事飞行器强度设计专业。