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对症“冲动”!结构动力学分析系列软件为飞机研制排忧解难

2020-06-01 09:17:00 中国航空新闻网 看航空专栏

 

飞机在研制和服役过程中通常面临众多动载荷引起的结构动力学问题,如发动机产生的结构振动、非定常气流引起的抖振、正常着陆/应急坠撞产生的冲击等。据统计,飞机在使用过程中出现的故障或事故70%以上是由动载荷环境引起,动载荷会对飞机产生诸多不利影响,如直接导致结构失效进而引发飞机和乘员安全问题;诱发飞机设备、系统发生功能性失灵或损坏,间接导致飞行故障或造成事故;恶化飞机乘坐环境,降低乘员的舒适性等。

飞机结构的动力学问题是困扰飞机研制及影响其服役安全的关键问题,结构动力学分析软件是解决飞机中各种“动力学问题症结”的必备工具。本篇介绍由我国航空工业自主研制的结构动力学分析“家族”中的四款软件——飞机结构振动环境预计软件、颤振实时分析软件、起落架着陆和滑跑载荷分析软件、飞机地面滑跑稳定性分析软件。

1、飞机结构振动环境预计软件(VEP软件)

上世纪80年代,由原航空部主导,组建了以623所为牵头单位,由631所、629所(后并入623所)、601所、603所、西工大、北航、南航等单位构成的联合研究团队,启动了飞机结构振动环境预计软件(VEP—Vibration Environment Prediction System of Aircraft Structures)的研制工作。研究团队历时6年完成了软件的研发。

VEP软件是一个以结构动力学分析为主,集多种分析功能的综合性软件系统,包含13万行FORTRAN代码程序,集成了结构固有振动特性分析、线性/非线性动力响应分析、着陆响应分析、滑跑响应分析等功能,后期又增加了鸟撞分析、动屈曲分析、结构热响应分析等模块。同时,该软件还拥有丰富的元素库、材料库和载荷库,集成了当时较为先进的20余种线性/非线性单元,18类45种材料模式。并按照软件工程化方法研制,软件架构由用户模块、功能模块、数据管理、前后置处理等模块组成,无论软件功能还是界面友好性,都代表国内同时期先进水平。

VEP软件在运12飞机的风挡玻璃鸟撞分析、阵风响应分析、结构静力分析等方面获得了应用。并开展了歼8飞机炮击响应分析、平尾动响应分析、复合材料结构动力特性分析等工作。此外,该软件还进行了拓展应用,完成了航天领域某导弹发射筒强度分析,基于该软件进行了金沙江大桥振动特性等分析内容,解决了其他军民行业工程领域的实际问题,产生了较大的军事效益和社会效益。

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图1  VEP软件应用型号

VEP软件作为国内较早一批自主化研制的结构分析软件,在当时已具有较高的水平和代表性,在大型结构动力响应分析方面处于国内领先地位,同时动响应分析模块吸收了国内外当时最新的研究成果,求解方法比Nastran更为丰富。鉴于该软件的技术创新,VEP软件获得了1991年原航空航天部科技进步一等奖以及1992年国家科技进步二等奖。

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图2  VEP软件获奖证书

 

2、颤振实时分析软件(RTFAS软件)

飞机的颤振隶属于气动弹性学科,是结构与气流相互作用而引发的流固耦合问题,颤振对于飞机的飞行安全有着至关重要的影响,颤振的分析验证在整个飞机设计过程中占据了很大一部分内容。1984年,原航空部动力环境课题组决定以623所VAX-730小型机和SUN-386微机为平台,研制一款可以与地面振动试验相结合的颤振分析软件(RTFAS——Real Time Flutter Analysis System),以达到加速颤振验证进程的目的。

该软件包含数万行代码,具备模型修正以及颤振实时分析功能,该软件研发过程吸纳了国内外气动力算法先进研究成果,开发了基于偶极子格网法、片条理论以及活塞理论等气动力计算模块,并内置了不同的插值模型,满足多构型结构形式的插值需求。

该软件的研发,成功向飞机动力学试验和设计分析一体化方面迈出了坚实一步,可在飞机地面振动试验现场利用试验结果对飞机颤振特性进行快速分析,软件经历了上百个算例考核验证,并在歼8、运8、运11改型、教8、教9等30多个型号研制中获得了应用。颤振实时分析软件获得原航空部科技进步二等奖以及国家科技进步三等奖。

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图3  颤振实时分析软件获奖证书

“十·五”期间,为解决军机多外挂布局下的气动弹性问题,研究团队在原颤振实时分析软件基础上,研发了机翼多外挂布局动力学设计模块,在歼7风洞模型上进行了考核验证,将最高可用飞行速度提高了30%。历经多年的持续改进和发展,该软件至今一直沿用,成为飞机颤振分析的一款利器。

3、起落架着陆和滑跑载荷分析软件(ALTLAS软件)

飞机在着陆和滑跑过程中,起落架和飞机机身将承受严酷的动载荷作用。如何精确预测飞机着陆和滑跑过程中产生的载荷并进行载荷优化设计,一直是飞机起落架研制中的重要课题。

“八·五”期间,623所依托国家重点预研课题“长寿命高可靠性起落架技术研究”的支持,组建项目团队,在吸收美国波音公司起落架动力学分析先进算法基础上,构建了体系化的飞机起落架动力学分析理论体系,研制了国内首款可考虑机体弹性的全机着陆和滑跑载荷预测软件“飞机着陆和滑跑载荷分析系统”ALTLAS(Aircraft Landing &Taxiing Loads Analysis System)。该软件包含3万余行代码,具备支柱式、小车式、摇臂式起落架着陆和滑跑载荷分析,及考虑机体弹性效应的飞机对称着陆和滑跑过程载荷分析功能,可满足当时国内大多数型号飞机起落架载荷设计与分析需求。

近20年来,623所基于拥有大量飞机型号起落架缓冲性能试验数据的专业优势,不断发展完善ALTLAS软件的理论体系,进行ALTLAS软件在起落架新结构建模、缓冲器参数识别等方面的优化和改进开发,目前软件可完成包含车架式、多轮多支柱式等各类起落架的着陆和滑跑载荷分析、多目标优化等计算功能。

ALTLAS软件作为国内首款自主知识产权的起落架动力学分析软件,解决了新舟60、运12等20余型军用飞机和无人机的起落架着陆和滑跑载荷计算问题,鉴于该软件在多型起落架研制中扮演的不可替代作用,先后5次获得航空工业集团公司、国防科工局的科技成果奖励。如今,ALTLAS软件依然是国内飞机主机单位进行起落架动力学性能设计的一款实用仿真分析工具,可以预见的是后续研究团队将随着需求的提升不断进行软件的功能扩充与算法升级,使得该软件发挥出更大的工程应用价值。

 

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图4  飞机着陆和滑跑载荷分析软件

4、飞机地面滑跑稳定性分析软件(ALGSVL软件)

飞机地面滑跑稳定性主要包括起落架摆振稳定性、方向稳定性及操纵稳定性三个方面内容。其中,起落架摆振稳定性是飞机研制必须着重考虑的因素和难点之一,其直接影响着飞机地面滑跑的舒适性和安全性。“九·五”期间,623所在中俄合作项目“考虑机体弹性的摆振技术”研究成果基础上,组织相关团队通过消化吸收、改进完善摆振分析理论,结合国内起落架设计需求和试验经验,基于Visual Basic设计语言开发了“考虑机体弹性的前起落架摆振分析软件”(LGSA623)1.0微机版。

进入21世纪后,在原有软件基础上,相关工作人员又进行了摆振非线性分析和优化算法改进,增加了非线性摆振分析模块、方向稳定性分析模块及操纵稳定性分析等功能模块,该软件演进为“飞机起落架地面滑跑稳定性分析软件”(ALGSVL2.0)。采用POWELL优化算法,对其系统动力学方程组动力学系数矩阵复特征值进行加速求解与优化,极大的提高了计算精度和效率。

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图5 ALGSVL2.0软件主界面

该软件自从研制成功后,已用于AG600、AC500,以及多型军用飞机和无人机的起落架摆振分析。如在AC500飞机前起落架防摆设计中,根据软件分析结果,给出了机体结构改进设计意见,满足了飞机起落架防摆设计要求;在某型无人机前起落架防摆设计中,经过分析改进了前起落架结构,降低系统临界阻尼值30%。该软件历经数十个型号起落架摆振分析的算例考核,并经过摆振试验对比验证,具有分析精度高、效率高效等特点,为多型国家重点飞机型号的研制起到了一定的推动作用。

结束语

在近四十年的发展历程中,由623所牵头研发的四款结构动力学分析软件在多个飞机型号研制中获得了成功应用,针对飞机结构的不同类型动力学问题,总能“对症下药”,找到解决问题的良方,尤其,诸如颤振实时计算、起落架着陆缓冲性能计算等多个独具特色的功能模块,至今在行业内也颇有影响力。

近年来受到国外商用软件的冲击,国产结构动力学分析软件的推广应用情况虽不甚理想,但623所仍立足于飞机型号研制需求,始终坚持不懈的进行国产软件的研发工作,并保留了一支相对稳定的结构动力学软件研发队伍,随着我国越来越重视发展国产工业软件,前期系列国产软件研发形成的技术积累和传承,势必会为后续结构动力学分析软件研发打下坚实基础。

责任编辑:实习生 马丽