民機襟翼交聯(lián)機構(gòu)吸能元件的吸能特性研究

　　摘要：采用有限元分析與沖擊試驗相結(jié)合的方式對膨脹管與波紋管的吸能特性進(jìn)行探究：通過數(shù)值仿真分析對吸能元件的試驗過程進(jìn)行初步掌握，同時根據(jù)沖擊試驗結(jié)果對試驗設(shè)計的不合理之處進(jìn)行修正;然后開展兩種吸能元件的動態(tài)沖擊試驗，探究其吸能特性，最終比較分析有限元仿真分析與落錘沖擊試驗的試驗結(jié)果，選擇效果理想的吸能元件應(yīng)用到襟翼交聯(lián)機構(gòu)上。結(jié)果表明：無論是從吸能行程、吸能穩(wěn)定性還是吸能結(jié)構(gòu)的設(shè)計考慮，波紋管都是最適合應(yīng)用到交聯(lián)機構(gòu)中的吸能元件，該吸能元件比吸能大，吸能過程平緩穩(wěn)定，吸收能量之后只有塑性形變但結(jié)構(gòu)不發(fā)生破壞，同時吸能行程短，吸能結(jié)構(gòu)簡單，便于安裝拆卸。

　　關(guān)鍵詞：吸能元件;襟翼交聯(lián)機構(gòu);數(shù)值仿真分析;落錘沖擊試驗;膨脹管;波紋管

　　飛機的襟翼交聯(lián)系統(tǒng)在飛機的增升裝置中扮演著非常重要的角色，一旦出現(xiàn)故障，會給飛機的飛行帶來惡劣的影響，嚴(yán)重危害飛機的飛行安全。目前，歐美等發(fā)達(dá)國家在大型民機襟翼交聯(lián)系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)方面取得了一些成果：如在空客A320、A340以及A380系列飛機的襟翼驅(qū)動系統(tǒng)中，襟翼翼面間采用了交聯(lián)作動器。

　　但是目前國內(nèi)在該方面的研究剛剛起步，相關(guān)的文獻(xiàn)資料也非常有限，所以對襟翼交聯(lián)系統(tǒng)開展更加深入與詳細(xì)的研究是非常有必要的。襟翼交聯(lián)系統(tǒng)在正常工作時，如果襟翼間相對位移超過交聯(lián)系統(tǒng)的自由行程，作為制動結(jié)構(gòu)的內(nèi)外襟翼交聯(lián)系統(tǒng)會受到一個峰值較大的沖擊載荷，因此非常有必要在內(nèi)外襟翼交聯(lián)系統(tǒng)中增加動能吸收和耗散環(huán)節(jié)，以降低過渡過程的瞬態(tài)沖擊載荷，保證襟翼系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)安全。吸能元件[1-3]做為襟翼交聯(lián)系統(tǒng)的重要部件，用以在襟翼故障時吸收脫開翼面的沖擊動能，降低沖擊載荷。通過研究交聯(lián)系統(tǒng)吸能元件的吸能效率合理應(yīng)用，可以對襟翼交聯(lián)系統(tǒng)的設(shè)計提出指導(dǎo)性建議，有助于提高襟翼系統(tǒng)的可靠性。

　　吸能元件的主要設(shè)計要求有：具有較強的吸能能力，能夠降低碰撞的初始峰值載荷，較短的吸能行程。而金屬薄壁管由于其優(yōu)異的能量吸收特性，被廣泛應(yīng)用各工程領(lǐng)域[4-6]。金屬薄壁管目前被廣泛采用的吸能方式主要有三種:第一種是通過構(gòu)件軸向壓潰變形吸收能量[7-9]，第二種是通過構(gòu)件擴(kuò)徑塑性變形吸收能量[10-12]，第三種是通過構(gòu)件撕裂變形吸收能量[13-15]。

　　結(jié)合襟翼交聯(lián)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、空間設(shè)計和吸能元件的設(shè)計要求，選擇膨脹管[16-17]與波紋管兩種結(jié)構(gòu)形式的吸能元件進(jìn)行探究，最終得到合適的吸能元件。膨脹管具有吸能行程長、緩沖力平穩(wěn)等優(yōu)點，體積小、結(jié)構(gòu)簡單易加工[18-19];波紋管是由多個波紋及端部直邊段組成的圓形撓性元件，其吸能過程平穩(wěn)且有較好的可控性，具有良好的抗彎曲、抗拉伸、抗壓縮能力[20]。

　　1有限元數(shù)值模擬仿真

　　緩沖吸能過程是一個非常典型的沖擊問題，不僅涉及到材料的非線性力學(xué)行為，同時還包含了相當(dāng)復(fù)雜的接觸現(xiàn)象，我們使用Abaqus軟件對試驗進(jìn)行模擬，并使用Abaqus/Explicit求解器對模型求解，用以對試驗現(xiàn)象進(jìn)行初步掌握，發(fā)現(xiàn)試驗設(shè)計不合理之處，繼而對落錘沖擊試驗的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修正。

　　1.1有限元模型的建立

　　建立膨脹管的有限元模型，并實際做適當(dāng)簡化：底座和落錘均視為剛體，使用有限元建模中的節(jié)點約束替代圓柱凸臺對管件的約束作用，并將落錘撞擊點準(zhǔn)確定位為沖頭中心。膨脹管材料使用鋁合金7050-T7451，采用Johnson-cook硬化準(zhǔn)則和Johnson-cook破壞準(zhǔn)則，以破壞能量為標(biāo)準(zhǔn)考慮損傷演化，并考慮7050-T7451應(yīng)變率帶來的效應(yīng)。沖頭的材料采用20CrMo鋼，采用Johnson-cook本構(gòu)模型，且不考慮材料的損傷破壞。膨脹管件和鋼制沖頭之間不使用潤滑劑，動摩擦因數(shù)設(shè)為0.17。同時根據(jù)設(shè)計要求，ICS吸能元件的沖擊能量設(shè)置為160J，且碰撞初速度為2.787m/s。波紋管試驗的有限元模型建立思路基本和膨脹管試驗一致。

　　1.2有限元仿真結(jié)果及分析

　　膨脹管模型的有限元數(shù)值模擬仿真是一個連續(xù)的沖擊過程，展示了膨脹管的變形:可以觀察到隨著沖頭向下，膨脹管管壁被迫擴(kuò)張，材料超過屈服強度，發(fā)生塑性變形，同時沖頭和管件內(nèi)壁產(chǎn)生強烈的摩擦,隨著管壁逐漸擴(kuò)張，落錘的沖擊能量被轉(zhuǎn)化為鋁合金的塑性應(yīng)變能，同時通過摩擦轉(zhuǎn)化為內(nèi)能消耗。

　　波紋管模型的仿真過程與膨脹管類似�？梢杂^察到：隨著沖頭向下，波紋管的相鄰波紋間距開始減小，管壁局部發(fā)生彎折，此部分材料超過屈服強度，發(fā)生塑性變形，隨著波紋間距進(jìn)一步減小，塑性區(qū)域在管件中均勻擴(kuò)大，沖擊能量轉(zhuǎn)化為塑性應(yīng)變能，落錘停止下落。同時可以看到，與膨脹管局部區(qū)域塑性屈服相比，波紋管塑性屈服區(qū)域廣泛分布于整個管件。

　　Abaqus軟件可以獲得該有限元仿真過程中的“載荷-時間”曲線以及“位移-時間”曲線，然后通過函數(shù)結(jié)合得到“載荷-位移”曲線，經(jīng)過濾波等方法處理過后的曲線。可以看出，從載荷方面考慮，兩類吸能元件的吸能過程均沒有出現(xiàn)初始峰值載荷，波紋管相比于膨脹管能夠更快地到達(dá)平臺載荷(波紋管壓縮3mm左右到達(dá)平臺載荷，膨脹管壓縮12mm左右到達(dá)平臺載荷)，且波紋管平臺載荷大于膨脹管平臺載荷(波紋管的平臺載荷16000N，膨脹管的平臺載荷8000N);從吸能行程考慮，波紋管的吸能行程為12mm左右，膨脹管的吸能行程為25mm左右。因此，從峰值載荷、平臺載荷和吸能行程幾個角度來看，波紋管相比膨脹管有巨大優(yōu)勢。

　　2動態(tài)沖擊試驗

　　2.1準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗

　　動態(tài)沖擊試驗具有較大的破壞性且屬于不可逆過程，試驗件一旦受到?jīng)_擊便不能再使用，所以在進(jìn)行動態(tài)沖擊試驗之前，有必要預(yù)先對膨脹管和波紋管進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)軸向壓縮試驗并記錄壓縮過程，這樣不僅可以對兩種吸能元件的吸能特性以及壓縮變形過程有初步的了解，還能有效減少試驗成本，甚至還能避免不正確的操作方式對試驗機造成損壞。

　　2.2沖擊試驗介紹

　　其中波紋管材料有兩種：標(biāo)準(zhǔn)為AMS4050H的鋁合金7050-T7451與標(biāo)準(zhǔn)為GB/T3191-1998的鋁合金2A12-T4，膨脹管材料為標(biāo)準(zhǔn)為AMS4050H的鋁合金7050-T7451。同時膨脹管上部制作出擴(kuò)張倒口，方便和沖頭進(jìn)行配對，保證沖頭對管件的壓縮始終為軸向的。本次沖擊試驗使用的實驗儀器為JSL-3000落錘式示波沖擊試驗機。

　　該試驗機的工作原理是自由落體：即由舉升系統(tǒng)將固定落錘提升到一定的高度，然后釋放落錘，使其在重力的作用下自由下落，對固定好的試驗件進(jìn)行高速沖擊，沖擊能量則由落錘質(zhì)量和提升高度共同控制;同時，該試驗機的傳感器會將沖擊試驗過程中的載荷、位移等數(shù)據(jù)傳輸給電腦，生成“載荷-位移”曲線和“位移-時間”曲線。

　　2.3沖擊試驗

　　檢查吸能元件的外觀、結(jié)構(gòu)，確保沒有損傷，然后進(jìn)行試驗機調(diào)試，消除間隙，檢查落錘系統(tǒng)、防二次沖擊裝置、測速裝置、記錄系統(tǒng)和高速攝像機系統(tǒng)等。本次試驗的總能量W設(shè)計為160J，根據(jù)該能量值對配重塊重量、懸掛高度進(jìn)行匹配。同時考慮到在沖擊速度匹配時落錘配重塊的重量過大會加大試驗難度，且管件材料為應(yīng)變率不敏感材料，故通過加氣加壓的方式增加落錘沖擊速度，減小配重塊的質(zhì)量。在本次試驗中，落錘質(zhì)量m為36.7kg，提升高度h為0.45m，重力加速度g取9.8m/s^2,可得沖擊速度v為2.97m/s。

　　試驗步驟嚴(yán)格按照試驗大綱的步驟進(jìn)行試驗，并記錄每種工況下的沖擊速度、沖擊能量、沖頭的接觸力-時間曲線以及每次試驗中沖頭速度、沖頭位移以及吸收能量隨時間的變化。同時，為了消除試驗中可能出現(xiàn)的偶然性，7050-T7451鋁合金波紋管、2A12-T4鋁合金波紋管和7050-T7451鋁合金膨脹管各做5次試驗，并除去由于試驗件破損或斷裂造成結(jié)果不符合預(yù)期的，最終三組試驗各選取一個典型數(shù)據(jù)與曲線進(jìn)行分析。

　　3結(jié)論

　　本文采用有限元模擬與動態(tài)沖擊試驗相結(jié)合的方法對緩沖吸能過程進(jìn)行探究：通過仿真模擬對沖擊試驗的方法、參數(shù)等提供設(shè)計參考，然后根據(jù)沖擊試驗的結(jié)果來驗證理論模型的可行性，相輔相成，缺一不可，并獲得了如下結(jié)論:1)通過本次探究，對波紋管與膨脹管的吸能原理、吸能行程以及吸能能力有了一定程度的掌握，同時也為后續(xù)吸能元件的探究與應(yīng)用提供了一定的參考;2)無論是從吸能行程、吸能穩(wěn)定性還是吸能結(jié)構(gòu)的設(shè)計考慮，材料為鋁合金2A12-T4的波紋管都是最適合應(yīng)用到ICS中的吸能元件，該吸能元件比吸能大，吸能過程平緩穩(wěn)定，吸收能量之后只有塑性形變但結(jié)構(gòu)不發(fā)生破壞，同時吸能行程短，吸能結(jié)構(gòu)簡單，便于安裝拆卸;3)本次對吸能元件緩沖吸能過程的研究方法具備可行性：以波紋管、膨脹管的仿真模擬為依據(jù)設(shè)計沖擊試驗，并且沖擊試驗獲得的結(jié)果與仿真模擬的結(jié)果基本一致，驗證了本次沖擊試驗設(shè)計的可行性，為吸能元件在緩沖吸能過程中的工程應(yīng)用奠定了一定的基礎(chǔ)。

　　同時，由于時間的限制以及本人能力有限，本次研究依然存在很多不足與改進(jìn)的空間：本次試驗雖然對材料不同或者結(jié)構(gòu)不同的三種吸能元件各做了五組重復(fù)試驗，但是最后的能量吸收曲線表明，吸能元件在整個緩沖吸能過程中吸收的能量略小于設(shè)計能量，后續(xù)擬改變初始能量設(shè)置值，在初始能量設(shè)置值160J上下各設(shè)置幾組能量值，探究造成誤差的原因是試驗件的吸能能力已達(dá)到極限還是該沖擊試驗設(shè)計方案存在系統(tǒng)誤差。

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　　作者：高煜翔1，陸建國1，方俊偉1，周曉宸2，席博偉3

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