CN109522636B - 一种用于直升机抗坠毁分析的轮式起落架简化方法 - Google Patents

一种用于直升机抗坠毁分析的轮式起落架简化方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供了一种用于直升机抗坠毁分析的轮式起落架简化方法，大致分为：起落架有限元模型简化、轮胎及弹簧单元参数设置、边界及接触定义、初步计算及参数优化。本申请采用了结构优化技术，寻找到了结构的最佳简化形式，大大缩小了模型规模，缩短了计算时间；采用了参数优化技术，可以快速确定更精确的模型参数，提高仿真精度。

Description

一种用于直升机抗坠毁分析的轮式起落架简化方法
技术领域
本申请属于直升机结构设计技术领域，特别涉及一种用于直升机抗坠毁分析的轮式起落架简化方法。
背景技术
在直升机坠毁事故发生时，轮式起落架需要吸收绝大部分冲击能力，是重要的吸能部件。在直升机结构抗坠毁设计中轮式起落架的仿真分析至关重要。.
传统全机抗坠毁仿真分析中轮式起落架采用细节建模的方法进行模拟，存在建模周期长、装配复杂、模型规模大、运算时间长等缺点。
发明内容
本申请的目的是提供了一种用于直升机抗坠毁分析的轮式起落架简化方法，以解决上述任一问题。
本申请的技术方案是：一种用于直升机抗坠毁分析的轮式起落架简化方法，所述轮式起落架简化方法包括：
1)起落架有限元模型简化
起落架有限元模型包括缓冲器、主摇臂、轮毂和轮胎，所述缓冲器简化为弹簧单元，所述轮胎采用体单元进行建模，所述轮毂采用壳单元进行建模；试验台架的质量采用质量单元进行模拟；地面采用刚性墙模拟；轮胎旋转采用弹簧单元连接，并释放轮胎旋转方向自由度模拟；其它连接用刚体元简化；
2)轮胎及弹簧单元参数设置
轮胎参数依据轮胎材料实际参数进行设置；
弹簧单元刚度曲线根据弹簧的实验曲线得到，在实验曲线上取N个拐点，计算得到弹簧单元的几段刚度值构成弹簧的刚度曲线；
3)边界及接触定义
起落架以规定的初速度冲击地面，约束地面刚性墙的多个自由度，同时起落架施加重力加速度；
接触定义刚性墙和轮胎的接触，刚性墙为接触主面单元，轮胎和轮毂为接触从点；
4)初步计算
初步计算获得起落架的基本参数；
5)参数优化
通过分析工具对缓冲器弹簧阻尼单元参数进行优化，得到与试验数据相近的模型参数，设计变量是模拟缓冲器的弹簧单元的弹簧系数A以及弹簧阻尼曲线；选取实验载荷位移曲线上的N个拐点在仿真曲线上插值建立响应，以及选取最大位移和最大载荷建立优化响应，根据定义响应的多个点建立优化目标得到多个点对应的实验曲线上的值，仿真值由有限元模型计算得到，匹配仿真值和实验值，使误差范围在预定范围以内。
在本申请中，所述分析工具为HyperStudy。
在本申请中，所述接触类型为基于罚函数法的Type 7接触类型。
在本申请中，所述预定范围为不大于5％。
在本申请中，所述单元包括四边形单元和三角形单元，所述三角形单元用于单元网格过渡，且所述三角形单元的流向一致，结构规则区域采用六面体网格，几何结构复杂的区域采用四面体网格。
在本申请中，所述三角形单元不超过单元总数的10％。
在本申请中，所述三角形单元不超过单元总数的8％。
在本申请中，所述弹簧单元的刚度值通过如下方式计算：
Figure BDA0001860559080000031
式中
Figure BDA0001860559080000032
为弹簧力，Ascalex为系数，A、B为系数，E为应变率系数，
Figure BDA0001860559080000033
为阻尼力，C为阻尼系数。
在本申请中，在所述弹簧单元的刚度值计算公式中，
Figure BDA0001860559080000034
在本申请中，所述系数A的取值范围为0.6～0.8，相应的，
Figure BDA0001860559080000035
的取值范围为0.2～0.4。
本申请的用于直升机抗坠毁分析的轮式起落架简化方法采用了结构优化技术，寻找到了结构的最佳简化形式，大大缩小了模型规模，缩短了计算时间；采用了参数优化技术，可以快速确定更精确的模型参数，提高仿真精度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请提供的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例。
图1为本申请的轮式起落架简化方法流程图。
图2为本申请的轮式起落架简化模型。
图3为本申请的初始起落架载荷-位移曲线。
图4为本申请的优化后起落架载荷-位移曲线。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。
本申请的用于直升机抗坠毁分析的轮式起落架简化方法主要包括如下步骤：
1)起落架有限元模型简化
如图2，起落架结构复杂，其主要包括缓冲器、主摇臂、轮毂和轮胎。起落架在直升机坠毁过程中主要承受垂向载荷，通过对轮式起落架的受力形式进行分析，建模时只考虑主要受力部件，去掉非主要受力部件。由于主摇臂与水平面夹角很小，相对于缓冲器承受的垂向载荷很小，因此在分析时不去考虑主摇臂结构；缓冲器简化为弹簧单元，轮胎采用体单元进行建模，轮毂采用壳单元进行建模；试验台架的质量采用质量单元进行模拟；地面采用刚性墙模拟；轮胎(轴)旋转采用弹簧单元连接，释放其旋转方向自由度模拟；其它连接用刚体元简化。起落架有限元模型如图1所示。
其中，上述单元包括四边形单元和三角形单元，三角形单元用于单元网格过渡，且三角形单元的流向一致，结构规则区域采用六面体网格，几何结构复杂的区域采用四面体网格。
本申请中，三角形单元不超过单元总数的10％。优选地，三角形单元不超过单元总数的8％。
例如在某型直升机抗坠毁分析的轮式起落架实施例中，壳单元的平均尺寸为10mm，四边形单元和三角形单元最小单元尺寸均为5mm；单元优先采用四边形单元，三角形单元主要用于单元网格过渡，且三角形单元的流向一致设置，三角形单元的数量为单元总数的8％；结构较规则区域采用六面体网格，几何结构复杂的区域采用四面体网格。
2)轮胎及弹簧单元参数设置
轮胎参数依据轮胎材料实际参数(弹性模量、泊松比等)进行设置。
弹簧单元参数设置如下：
弹簧单元刚度曲线参数由实验曲线分析得到，在实验曲线上取3个拐点，可以计算得到弹簧单元的几段刚度值，构成弹簧的刚度曲线。
弹簧单元力由下面公式计算
Figure BDA0001860559080000051
式中
Figure BDA0001860559080000052
为弹簧力，Ascalex为系数(默认为1)，A为系数(默认为1，这里取0.7)，B为系数(这里取0)，E为应变率系数(这里取1)，
Figure BDA0001860559080000053
为阻尼力(对于不同的应变率均取0.3)，C为阻尼系数。
系数Ascalex默认为1，本实施例中取默认值，系数A默认为1，在本实施例中取0.7，系数B在本实施例中取0，应变率系数E在本实施例中去1，阻尼力
Figure BDA0001860559080000054
对于不同的应变率均取0.3。
Figure BDA0001860559080000055
为实际计算载荷，因此
Figure BDA0001860559080000056
和必须为1。
在本申请中，A的取值范围为0.6～0.8，相应的，
Figure BDA0001860559080000057
的取值范围为0.2～0.4。在本实施例中，A＝0.7，
Figure BDA0001860559080000058
3)边界及接触定义
起落架整体以规定的初速度冲击地面，约束地面刚性墙的6个自由度，同时起落架整体施加重力加速度。
接触定义刚性墙和轮胎的接触，刚性墙为接触主面单元，轮胎和轮毂为接触从点。
在本申请中，接触类型选择基于罚函数法的Type 7接触类型，Type 7接触类型接触搜索是直接进行的，尽管接触搜索消耗了较多CPU时间，但对发生接触的位置的判断是实时的，尤其适用于高速冲击下的大变形问题，可以对接触状态准确模拟。
4、初步计算
如图3，初步计算结果与试验结果对比如图1所示，计算结果曲线与试验曲线趋势基本一致，通过上述方法可以快速获得起落架的基本参数，后续通过优化参数可确定更精确的模型参数。
5、参数优化
通过HyperStudy对缓冲器弹簧阻尼单元参数进行优化，得到与试验数据更贴近的模型参数。设计变量是模拟缓冲器的弹簧单元的相关参数，弹簧系数A以及弹簧阻尼曲线，阻尼曲线里面包含6个设计变量，包括系数A，优化总共7个设计变量。选取实验载荷位移曲线上的几个拐点在仿真曲线上插值建立响应，另外选取最大位移和最大载荷建立优化响应。根据定义响应的5个点建立优化目标，优化目标值是该5个点对应的实验曲线上的值，仿真值由有限元模型计算得到，匹配仿真值和实验值。通过几个关键点的约束，优化结果实验和仿真曲线变化趋势基本匹配，约束的几个关键点响应也趋于一致，相对于初始分析，仿真的最大位移和最大力明显降下来，接近实验结果，使误差范围在预定范围以内，迭代结束，如图4。
本申请中，所述预定范围在5％以内，即可接受。
本申请的用于直升机抗坠毁分析的轮式起落架简化方法，具有如下优点：
1)采用了结构优化技术，寻找到了结构的最佳简化形式，大大缩小了模型规模，缩短了计算时间；
2)采用了参数优化技术，可以快速确定更精确的模型参数，提高仿真精度。
本申请在满足设计要求的情况下，通过结构优化和参数优化找到了结构的最佳简化方法，大大缩小了模型规模，减少了运算时间。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种用于直升机抗坠毁分析的轮式起落架简化方法，其特征在于，所述轮式起落架简化方法包括：
1)起落架有限元模型简化
起落架有限元模型包括缓冲器、主摇臂、轮毂和轮胎，所述缓冲器简化为弹簧单元，所述轮胎采用体单元进行建模，所述轮毂采用壳单元进行建模；试验台架的质量采用质量单元进行模拟；地面采用刚性墙模拟；轮胎旋转采用弹簧单元连接，并释放轮胎旋转方向自由度模拟；其它连接用刚体元简化；
2)轮胎及弹簧单元参数设置
轮胎参数依据轮胎材料实际参数进行设置；
弹簧单元刚度曲线根据弹簧的实验曲线得到，在实验曲线上取N个拐点，计算得到弹簧单元的几段刚度值构成弹簧的刚度曲线，所述弹簧单元的刚度值通过如下方式计算：
Figure FDA0003889484830000011
式中
Figure FDA0003889484830000012
为弹簧力，Ascalex为系数，A、B为系数，E为应变率系数，
Figure FDA0003889484830000013
为阻尼力，C为阻尼系数；
3)边界及接触定义
起落架以规定的初速度冲击地面，约束地面刚性墙的多个自由度，同时起落架施加重力加速度；
接触定义刚性墙和轮胎的接触，刚性墙为接触主面单元，轮胎和轮毂为接触从点；
4)初步计算
初步计算获得起落架的基本参数；
5)参数优化
通过分析工具对缓冲器弹簧阻尼单元参数进行优化，得到与试验数据相近的模型参数，设计变量是模拟缓冲器的弹簧单元的弹簧系数A以及弹簧阻尼曲线；选取实验载荷位移曲线上的N个拐点在仿真曲线上插值建立响应，以及选取最大位移和最大载荷建立优化响应，根据定义响应的多个点建立优化目标得到多个点对应的实验曲线上的值，仿真值由有限元模型计算得到，匹配仿真值和实验值，使误差范围在预定范围以内。
2.如权利要求1所述的用于直升机抗坠毁分析的轮式起落架简化方法，其特征在于，所述分析工具为HyperStudy。
3.如权利要求2所述的用于直升机抗坠毁分析的轮式起落架简化方法，其特征在于，所述接触类型为基于罚函数法的Type 7接触类型。
4.如权利要求1所述的用于直升机抗坠毁分析的轮式起落架简化方法，其特征在于，所述预定范围为不大于5％。
5.如权利要求1所述的用于直升机抗坠毁分析的轮式起落架简化方法，其特征在于，所述单元包括四边形单元和三角形单元，所述三角形单元用于单元网格过渡，且所述三角形单元的流向一致，结构规则区域采用六面体网格，几何结构复杂的区域采用四面体网格。
6.如权利要求5所述的用于直升机抗坠毁分析的轮式起落架简化方法，其特征在于，所述三角形单元不超过单元总数的10％。
7.如权利要求6所述的用于直升机抗坠毁分析的轮式起落架简化方法，其特征在于，所述三角形单元不超过单元总数的8％。
8.如权利要求1所述的用于直升机抗坠毁分析的轮式起落架简化方法，其特征在于，在所述弹簧单元的刚度值计算公式中，
Figure FDA0003889484830000031
9.根据权利要求8所述的用于直升机抗坠毁分析的轮式起落架简化方法，其特征在于，所述系数A的取值范围为0.6～0.8，相应的
Figure FDA0003889484830000032
的取值范围为0.2～0.4。
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