民機襟翼交聯機構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合的方式對膨脹管與波紋管的吸能特性進行探究：通過數值仿真分析對吸能元件的試驗過程進行初步掌握，同時根據沖擊試驗結果對試驗設計的不合理之處進行修正;然后開展兩種吸能元件的動態沖擊試驗，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果，選擇效果理想的吸能元件應用到襟翼交聯機構上。結果表明：無論是從吸能行程、吸能穩定性還是吸能結構的設計考慮，波紋管都是最適合應用到交聯機構中的吸能元件，該吸能元件比吸能大，吸能過程平緩穩定，吸收能量之后只有塑性形變但結構不發生破壞，同時吸能行程短，吸能結構簡單，便于安裝拆卸。

　　關鍵詞：吸能元件;襟翼交聯機構;數值仿真分析;落錘沖擊試驗;膨脹管;波紋管

　　飛機的襟翼交聯系統在飛機的增升裝置中扮演著非常重要的角色，一旦出現故障，會給飛機的飛行帶來惡劣的影響，嚴重危害飛機的飛行安全。目前，歐美等發達國家在大型民機襟翼交聯系統設計技術方面取得了一些成果：如在空客A320、A340以及A380系列飛機的襟翼驅動系統中，襟翼翼面間采用了交聯作動器。

　　但是目前國內在該方面的研究剛剛起步，相關的文獻資料也非常有限，所以對襟翼交聯系統開展更加深入與詳細的研究是非常有必要的。襟翼交聯系統在正常工作時，如果襟翼間相對位移超過交聯系統的自由行程，作為制動結構的內外襟翼交聯系統會受到一個峰值較大的沖擊載荷，因此非常有必要在內外襟翼交聯系統中增加動能吸收和耗散環節，以降低過渡過程的瞬態沖擊載荷，保證襟翼系統的結構安全。吸能元件[1-3]做為襟翼交聯系統的重要部件，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。通過研究交聯系統吸能元件的吸能效率合理應用，可以對襟翼交聯系統的設計提出指導性建議，有助于提高襟翼系統的可靠性。

　　吸能元件的主要設計要求有：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異的能量吸收特性，被廣泛應用各工程領域[4-6]。金屬薄壁管目前被廣泛采用的吸能方式主要有三種:第一種是通過構件軸向壓潰變形吸收能量[7-9]，第二種是通過構件擴徑塑性變形吸收能量[10-12]，第三種是通過構件撕裂變形吸收能量[13-15]。

　　結合襟翼交聯系統的結構設計、空間設計和吸能元件的設計要求，選擇膨脹管[16-17]與波紋管兩種結構形式的吸能元件進行探究，最終得到合適的吸能元件。膨脹管具有吸能行程長、緩沖力平穩等優點，體積小、結構簡單易加工[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行為，同時還包含了相當復雜的接觸現象，我們使用Abaqus軟件對試驗進行模擬，并使用Abaqus/Explicit求解器對模型求解，用以對試驗現象進行初步掌握，發現試驗設計不合理之處，繼而對落錘沖擊試驗的相關參數進行修正。

　　1.1有限元模型的建立

　　建立膨脹管的有限元模型，并實際做適當簡化：底座和落錘均視為剛體，使用有限元建模中的節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硬化準則和Johnson-cook破壞準則，以破壞能量為標準考慮損傷演化，并考慮7050-T7451應變率帶來的效應。沖頭的材料采用20CrMo鋼，采用Johnson-cook本構模型，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，動摩擦因數設為0.17。同時根據設計要求，ICS吸能元件的沖擊能量設置為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有限元仿真結果及分析

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

　　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，管壁局部發生彎折，此部分材料超過屈服強度，發生塑性變形，隨著波紋間距進一步減小，塑性區域在管件中均勻擴大，沖擊能量轉化為塑性應變能，落錘停止下落。同時可以看到，與膨脹管局部區域塑性屈服相比，波紋管塑性屈服區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，然后通過函數結合得到“載荷-位移”曲線，經過濾波等方法處理過后的曲線�？梢钥闯�，從載荷方面考慮，兩類吸能元件的吸能過程均沒有出現初始峰值載荷，波紋管相比于膨脹管能夠更快地到達平臺載荷(波紋管壓縮3mm左右到達平臺載荷，膨脹管壓縮12mm左右到達平臺載荷)，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勢。

　　2動態沖擊試驗

　　2.1準靜態壓縮試驗

　　動態沖擊試驗具有較大的破壞性且屬于不可逆過程，試驗件一旦受到沖擊便不能再使用，所以在進行動態沖擊試驗之前，有必要預先對膨脹管和波紋管進行準靜態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：標準為AMS4050H的鋁合金7050-T7451與標準為GB/T3191-1998的鋁合金2A12-T4，膨脹管材料為標準為AMS4050H的鋁合金7050-T7451。同時膨脹管上部制作出擴張倒口，方便和沖頭進行配對，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行高速沖擊，沖擊能量則由落錘質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、位移等數據傳輸給電腦，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、結構，確保沒有損傷，然后進行試驗機調試，消除間隙，檢查落錘系統、防二次沖擊裝置、測速裝置、記錄系統和高速攝像機系統等。本次試驗的總能量W設計為160J，根據該能量值對配重塊重量、懸掛高度進行匹配。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，減小配重塊的質量。在本次試驗中，落錘質量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。

　　試驗步驟嚴格按照試驗大綱的步驟進行試驗，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果不符合預期的，最終三組試驗各選取一個典型數據與曲線進行分析。

　　3結論

　　本文采用有限元模擬與動態沖擊試驗相結合的方法對緩沖吸能過程進行探究：通過仿真模擬對沖擊試驗的方法、參數等提供設計參考，然后根據沖擊試驗的結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，同時也為后續吸能元件的探究與應用提供了一定的參考;2)無論是從吸能行程、吸能穩定性還是吸能結構的設計考慮，材料為鋁合金2A12-T4的波紋管都是最適合應用到ICS中的吸能元件，該吸能元件比吸能大，吸能過程平緩穩定，吸收能量之后只有塑性形變但結構不發生破壞，同時吸能行程短，吸能結構簡單，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設計沖擊試驗，并且沖擊試驗獲得的結果與仿真模擬的結果基本一致，驗證了本次沖擊試驗設計的可行性，為吸能元件在緩沖吸能過程中的工程應用奠定了一定的基礎。

　　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的空間：本次試驗雖然對材料不同或者結構不同的三種吸能元件各做了五組重復試驗，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計能量，后續擬改變初始能量設置值，在初始能量設置值160J上下各設置幾組能量值，探究造成誤差的原因是試驗件的吸能能力已達到極限還是該沖擊試驗設計方案存在系統誤差。

　　參考文獻：

　　[1]張巍.輕質薄壁金屬結構沖擊吸能性與數值研究[D].大連理工大學，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研究和有限元分析[J].機械工程學報，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，王會霞等.仿牛角結構薄壁管吸能特性仿真分[J].吉林大學學報：工學版,2015,45(6)：1863-1868.

　　作者：高煜翔1，陸建國1，方俊偉1，周曉宸2，席博偉3

轉載請注明來自發表學術論文網：http://www.cnzjbx.cn/jzlw/28947.html