民機(jī)襟翼交聯(lián)機(jī)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(yàn)相結(jié)合的方式對(duì)膨脹管與波紋管的吸能特性進(jìn)行探究：通過(guò)數(shù)值仿真分析對(duì)吸能元件的試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行初步掌握，同時(shí)根據(jù)沖擊試驗(yàn)結(jié)果對(duì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的不合理之處進(jìn)行修正;然后開(kāi)展兩種吸能元件的動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)，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(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果，選擇效果理想的吸能元件應(yīng)用到襟翼交聯(lián)機(jī)構(gòu)上。結(jié)果表明：無(wú)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(jì)考慮，波紋管都是最適合應(yīng)用到交聯(lián)機(jī)構(gòu)中的吸能元件，該吸能元件比吸能大，吸能過(guò)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(shí)吸能行程短，吸能結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于安裝拆卸。

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

　　飛機(jī)的襟翼交聯(lián)系統(tǒng)在飛機(jī)的增升裝置中扮演著非常重要的角色，一旦出現(xiàn)故障，會(huì)給飛機(jī)的飛行帶來(lái)惡劣的影響，嚴(yán)重危害飛機(jī)的飛行安全。目前，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家在大型民機(jī)襟翼交聯(lián)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jī)的襟翼驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，襟翼翼面間采用了交聯(lián)作動(dòng)器。

　　但是目前國(guó)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(duì)襟翼交聯(lián)系統(tǒng)開(kāi)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(shí)，如果襟翼間相對(duì)位移超過(guò)交聯(lián)系統(tǒng)的自由行程，作為制動(dòng)結(jié)構(gòu)的內(nèi)外襟翼交聯(lián)系統(tǒng)會(huì)受到一個(gè)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(dòng)能吸收和耗散環(huán)節(jié)，以降低過(guò)渡過(guò)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(shí)吸收脫開(kāi)翼面的沖擊動(dòng)能，降低沖擊載荷。通過(guò)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(duì)襟翼交聯(lián)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jì)要求有：具有較強(qiáng)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(guò)構(gòu)件軸向壓潰變形吸收能量[7-9]，第二種是通過(guò)構(gòu)件擴(kuò)徑塑性變形吸收能量[10-12]，第三種是通過(guò)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(jì)、空間設(shè)計(jì)和吸能元件的設(shè)計(jì)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(zhǎng)、緩沖力平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易加工[18-19];波紋管是由多個(gè)波紋及端部直邊段組成的圓形撓性元件，其吸能過(guò)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(guò)程是一個(gè)非常典型的沖擊問(wèn)題，不僅涉及到材料的非線性力學(xué)行為，同時(shí)還包含了相當(dāng)復(fù)雜的接觸現(xiàn)象，我們使用Abaqus軟件對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行模擬，并使用Abaqus/Explicit求解器對(duì)模型求解，用以對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行初步掌握，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)設(shè)計(jì)不合理之處，繼而對(duì)落錘沖擊試驗(yàn)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(shí)際做適當(dāng)簡(jiǎn)化：底座和落錘均視為剛體，使用有限元建模中的節(jié)點(diǎn)約束替代圓柱凸臺(tái)對(duì)管件的約束作用，并將落錘撞擊點(diǎn)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(lái)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(rùn)滑劑，動(dòng)摩擦因數(shù)設(shè)為0.17。同時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)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(yàn)的有限元模型建立思路基本和膨脹管試驗(yàn)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(gè)連續(xù)的沖擊過(guò)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(guò)屈服強(qiáng)度，發(fā)生塑性變形，同時(shí)沖頭和管件內(nèi)壁產(chǎn)生強(qiáng)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(shí)通過(guò)摩擦轉(zhuǎn)化為內(nèi)能消耗。

　　波紋管模型的仿真過(guò)程與膨脹管類(lèi)似�？梢杂^察到：隨著沖頭向下，波紋管的相鄰波紋間距開(kāi)始減小，管壁局部發(fā)生彎折，此部分材料超過(guò)屈服強(qiáng)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(shí)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(gè)管件。

　　Abaqus軟件可以獲得該有限元仿真過(guò)程中的“載荷-時(shí)間”曲線以及“位移-時(shí)間”曲線，然后通過(guò)函數(shù)結(jié)合得到“載荷-位移”曲線，經(jīng)過(guò)濾波等方法處理過(guò)后的曲線�？梢钥闯觯瑥妮d荷方面考慮，兩類(lèi)吸能元件的吸能過(guò)程均沒(méi)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(tái)載荷(波紋管壓縮3mm左右到達(dá)平臺(tái)載荷，膨脹管壓縮12mm左右到達(dá)平臺(tái)載荷)，且波紋管平臺(tái)載荷大于膨脹管平臺(tái)載荷(波紋管的平臺(tái)載荷16000N，膨脹管的平臺(tái)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(tái)載荷和吸能行程幾個(gè)角度來(lái)看，波紋管相比膨脹管有巨大優(yōu)勢(shì)。

　　2動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)

　　2.1準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)

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

　　2.2沖擊試驗(yàn)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(shí)膨脹管上部制作出擴(kuò)張倒口，方便和沖頭進(jìn)行配對(duì)，保證沖頭對(duì)管件的壓縮始終為軸向的。本次沖擊試驗(yàn)使用的實(shí)驗(yàn)儀器為JSL-3000落錘式示波沖擊試驗(yàn)機(jī)。

　　該試驗(yàn)機(jī)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(duì)固定好的試驗(yàn)件進(jìn)行高速?zèng)_擊，沖擊能量則由落錘質(zhì)量和提升高度共同控制;同時(shí)，該試驗(yàn)機(jī)的傳感器會(huì)將沖擊試驗(yàn)過(guò)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(shí)間”曲線。

　　2.3沖擊試驗(yàn)

　　檢查吸能元件的外觀、結(jié)構(gòu)，確保沒(méi)有損傷，然后進(jìn)行試驗(yàn)機(jī)調(diào)試，消除間隙，檢查落錘系統(tǒng)、防二次沖擊裝置、測(cè)速裝置、記錄系統(tǒng)和高速攝像機(jī)系統(tǒng)等。本次試驗(yàn)的總能量W設(shè)計(jì)為160J，根據(jù)該能量值對(duì)配重塊重量、懸掛高度進(jìn)行匹配。同時(shí)考慮到在沖擊速度匹配時(shí)落錘配重塊的重量過(guò)大會(huì)加大試驗(yàn)難度，且管件材料為應(yīng)變率不敏感材料，故通過(guò)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(yàn)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(yàn)步驟嚴(yán)格按照試驗(yàn)大綱的步驟進(jìn)行試驗(yàn)，并記錄每種工況下的沖擊速度、沖擊能量、沖頭的接觸力-時(shí)間曲線以及每次試驗(yàn)中沖頭速度、沖頭位移以及吸收能量隨時(shí)間的變化。同時(shí)，為了消除試驗(yàn)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(yàn)，并除去由于試驗(yàn)件破損或斷裂造成結(jié)果不符合預(yù)期的，最終三組試驗(yàn)各選取一個(gè)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(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)緩沖吸能過(guò)程進(jìn)行探究：通過(guò)仿真模擬對(duì)沖擊試驗(yàn)的方法、參數(shù)等提供設(shè)計(jì)參考，然后根據(jù)沖擊試驗(yàn)的結(jié)果來(lái)驗(yàn)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(guò)本次探究，對(duì)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(shí)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(wú)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(jì)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(guò)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(shí)吸能行程短，吸能結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于安裝拆卸;3)本次對(duì)吸能元件緩沖吸能過(guò)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(jì)沖擊試驗(yàn)，并且沖擊試驗(yàn)獲得的結(jié)果與仿真模擬的結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了本次沖擊試驗(yàn)設(shè)計(jì)的可行性，為吸能元件在緩沖吸能過(guò)程中的工程應(yīng)用奠定了一定的基礎(chǔ)。

　　同時(shí)，由于時(shí)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(yàn)雖然對(duì)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(yàn)，但是最后的能量吸收曲線表明，吸能元件在整個(gè)緩沖吸能過(guò)程中吸收的能量略小于設(shè)計(jì)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(yàn)件的吸能能力已達(dá)到極限還是該沖擊試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案存在系統(tǒng)誤差。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]張巍.輕質(zhì)薄壁金屬結(jié)構(gòu)沖擊吸能性與數(shù)值研究[D].大連理工大學(xué)，2008.ZHANGWei.Impactenergyabsorptionandnumericalstudyoflightweightthin-walledmetalstructures[D].DalianUniversityofTechnology,2008.(inChinese)

　　[2]王志偉，姚著.蜂窩紙板沖擊壓縮的試驗(yàn)研究和有限元分析[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2012，48(12)：49—55.WangZhiwei,YaoZhu.Experimentalstudyandfiniteelementanalysisofimpactcompressionofhoneycombpaperboard[J].JournalofMechanicalEngineering,2012,48(12):49-55.(inChinese)

　　[3]ChawlaA，MukherjeeS，KumarD，eta1.Predictionofcrushingbehaviourofhoneycombstructures[J].InternationalJournalofCrashworthiness，2003，8(3)：229-235.

　　[4]鄒猛，于用軍，張榮榮，魏燦剛，王會(huì)霞等.仿牛角結(jié)構(gòu)薄壁管吸能特性仿真分[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版,2015,45(6)：1863-1868.

　　作者：高煜翔1，陸建國(guó)1，方俊偉1，周曉宸2，席博偉3

轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明來(lái)自發(fā)表學(xué)術(shù)論文網(wǎng)：http:///jzlw/28947.html