空投飛機響應建模與仿真

空投飛機響應建模與仿真

0空投安全分析在貨物艙的空載過程中，飛機的質量位置和旋轉次數(shù)發(fā)生了變化。在貨物艙的入口，這些參數(shù)和部件的質量會發(fā)生變化。（2）飛機交付前處于配平狀態(tài)，交付后飛機在平衡狀態(tài)下受損。（3）飛機各部件的動載和慣性負荷發(fā)生了變化。這些變化可能會對飛機的運動特性、結構強度及飛行安全產(chǎn)生不利影響。針對運輸機空投,GJB67.2A-2008《軍用飛機結構強度規(guī)范》對空投拉起機動和空投滾轉機動做了相關要求,并闡述了空投陣風準則。美國國防部聯(lián)合使用規(guī)范指南JSSG-2006《飛機結構》對空投亦進行了詳細的描述:空投和投放準則使用1g飛行假設,飛機配平到大約2°的迎角;投放使用0.25g的引出加速度;將1-cos型、7.62m/s的離散陣風疊加到空投情況上,以使當貨物處于投放邊緣時產(chǎn)生結構峰值響應。因此根據(jù)規(guī)范要求,需要進行運輸機空投動響應計算分析,確定空投載荷,供強度部門分析使用,以確保貨艙地板、貨橋、后機身、平尾等部件在貨物空投過程中的結構安全和飛機的飛行安全。國內在運輸機空投動響應方面已有較多研究,成果主要集中在飛機的飛行品質方面,并且動力學方程的建立基本是將載機與貨物分為兩部分進行1動態(tài)建模1.1全機體軸系的運動方程空投過程涉及兩個對象:被投貨物稱為貨物,不含貨物的飛機稱為載機。貨物和載機合稱為全機。本文將載機、貨物視為整體系統(tǒng),以本系統(tǒng)的瞬時質心作為參考點,建立空投過程中飛機與貨物系統(tǒng)的運動方程。全機體軸系的原點O為全機的瞬時質心,Ox軸在飛機對稱面內,平行于機身構造水平面,指向前;Oz軸在飛機的對稱面內,指向下;Oy軸垂直于飛機的對稱面,指向右。圖1為全機體軸系示意圖,圖中A點為載機自身質心位置,C點為貨物質心位置。為便于建立數(shù)學模型,作以下基本假設:(1)采用“平面地球假設”,且忽略地球的自轉;(2)貨物可看成具有集中質量的質點;(3)貨物在脫離載機之前始終被約束在貨艙地板上;(4)貨物在艙內做勻加速運動,并且貨物的質心位于載機的對稱面內;(5)忽略貨物出艙對飛機氣動特性的影響。1.2重、速度計算公式本文飛機質心動力學方程與傳統(tǒng)的飛機質心動力學方程形式一致,體軸系下的質心動力學方程為:式中,m為載機與貨物的質量和,當貨物脫離載機后,m為載機的質量;u,w分別為飛機質心速度在體軸系x軸和z軸上的分量;α為飛機迎角;θ為飛機俯仰角;q為機體的俯仰角速度;φ為發(fā)動機安裝角;T為發(fā)動機推力;D,L分別為飛機的阻力和升力;g為重力加速度。下面推導全機繞質心轉動的動力學方程。全機對質心O的動量矩為:式中,J將式(3)代入動量矩方程,整理得:式中,M根據(jù)貨物在貨艙內的運動規(guī)律,可以得到:式中,根據(jù)式(1)、式(2)和式(4),再補充飛行力學中的相關運動方程、幾何方程及關系式,即可進行空投動響應計算。1.3氣動迎角修正根據(jù)式(1)、式(2)、式(4)及相關方程,可以求出全機質心處速度V質心絕對速度V運用正弦、余弦定理和小擾動理論,可得到真實的氣動迎角為:式中,α為由質心動力學方程得到的氣動迎角,由式(10)確定。1.4-cos型陣風模型為滿足空投離散陣風準則的設計要求,引入滿足設計規(guī)范的陣風激勵。在飛行品質評定、飛行載機設計中,廣泛采用1-cos型陣風模型,其風速剖面如圖3所示。該陣風模型為:式中,x運輸機空投動響應分析過程中,需將1-cos型陣風合理地疊加至全機運動學方程的求解過程中,并滿足當貨物運動至貨橋邊緣時,陣風恰好達到最大強度。這樣可以使飛機結構產(chǎn)生峰值響應,達到空投陣風載荷的設計邊界。1.5b貨橋和貨艙地板載荷由于貨物出艙速度較高,哥氏(Coriolis)效應對貨橋的卸載是顯著的,在貨橋和貨艙地板載荷設計過程中,應該考慮貨物對貨橋和貨艙地板的哥氏作用力。貨物對載機的法向作用力為:式中,z2數(shù)值模擬2.1計算模型貨物空投仿真參數(shù)如表1所示。為了確定飛機在空投貨物時的邊界設計載荷,算例飛機均處于開環(huán)狀態(tài),沒有引入縱向增穩(wěn)控制系統(tǒng)。2.2飛機空轉動噪音分析2.2.1貨物投放前的配平分析根據(jù)表1所給的貨物空投仿真參數(shù),對貨物投放前進行配平分析,得到飛機1g平飛的配平結果:機身迎角為4.449°,平尾偏角為-2.755°。2.2.2載荷特性和引起載荷變化的特征根據(jù)表1所給空投仿真參數(shù),以上述配平結果作為空投動響應求解初始條件,飛機空投動響應如圖4~圖10所示。圖4和圖5為全機質量特性時間歷程。在貨物從前向后至貨艙門移動過程中,當貨物處于載機質心前時,全機繞質心的俯仰轉動慣量略有降低;當貨物移動至載機質心后,全機繞質心的俯仰轉動慣量一直增加;直至貨物脫離載機,全機的質量特性發(fā)生突變,全機的質量變?yōu)檩d機自身質量,全機繞質心的俯仰轉動慣量變?yōu)檩d機繞自身質心的俯仰轉動慣量。圖6和圖7分別為俯仰角加速度和俯仰角速度時間歷程。隨著貨物向后移動,貨物對全機產(chǎn)生一個持續(xù)增加的抬頭力矩,使得俯仰角加速度持續(xù)增加,進而引起俯仰角速度逐漸增加;貨物脫離載機瞬間,飛機質心回到載機質心,而飛機迎角來不及變化,載機受到一個較大的低頭氣動力矩,俯仰角加速度瞬間變?yōu)樨撝?隨即俯仰角速度也逐漸降低。圖8為機身迎角時間歷程。在貨物向后移動的過程中引入陣風激勵,機身迎角先迅速增加,然后降低,最終穩(wěn)定在比配平迎角略大的狀態(tài)。圖9為全機法向載荷系數(shù)時間歷程。在t=4s時,全機的法向載荷系數(shù)有一個約為0.4的階躍增量,這是由于貨物脫離載機瞬間,全機的氣動力來不及變化造成的。圖10為平尾法向力時間歷程。平尾的配平法向力向下,隨著貨物向后移動,機身迎角增大,平尾的法向力方向變?yōu)橄蛏?當貨物脫離載機后,機身迎角降低,最終穩(wěn)定在比配平迎角略大的狀態(tài),平尾的法向力穩(wěn)定在一個較小的正值狀態(tài)。根據(jù)飛機運動參數(shù)、貨物的質量特性和貨物的運動規(guī)律,可以求得貨物對載機的作用力,如圖11所示,從圖中可以看出哥氏效應的卸載效果是顯著的。3飛機空投動響應分析仿真空投是規(guī)范要求的一種載荷設計情況,關系著飛機的結構安全和飛行安全。本文將載機、貨物視為整體系統(tǒng),建立了動力學方程,按照規(guī)范要求疊加離