复杂载荷下舰载机拦阻着舰刚柔耦合动力学研究

发布时间：2020-11-14 09:38

　　 舰载机拦阻着舰过程为舰载机减速沿着预定的轨道着舰,拦阻钩与拦阻索啮合后,通过拦阻索强制制动使飞机减速,最后舰载机被拦停在甲板上。舰载飞机拦阻着舰过程中,载荷大、加速度大、距离短、时间短,且受航母运动、气流扰动等条件影响,存在复杂的强非线性多学科动力学耦合问题。拦阻过程中存在一系列安全性问题,如:非对称拦阻着舰飞机冲出甲板、拦阻钩与舰面的碰撞、结构或载荷问题导致拦阻钩或索的损坏、冲击载荷过大导致起落架损坏、机身过载或应力过大导致局部破坏等问题。因此,拦阻着舰过程通常被认为是舰载飞机事故率最高的阶段。本文根据柔性多体系动力学理论,利用ADAMS联合PATRAN、NASTRAN和HYPER-MESH等软件,基于某型号舰载无人机,将飞机作为柔性体,起落架和拦阻钩为刚体,建立舰载机-拦阻钩刚柔耦合多体动力学模型,根据全机地面共振实验得到飞机不同振型下的频率与结构阻尼参数,给飞机柔性体添加结构阻尼,考虑起落架缓冲器的缓冲作用、拦阻钩纵向作动器的缓冲作用,根据某型号舰载无人机等质量小车拦阻实验数据提出一种在没有拦阻装置的条件下等效施加拦阻载荷的方法以及考虑拦阻过程中气动载荷对飞机的作用等建立复杂-强非线性飞机力学模型,对某型号舰载无人机对中拦阻着舰以及非对称拦阻着舰进行刚柔耦合动力学仿真计算。计算得到对中拦阻和非对称拦阻过程中飞机的姿态变化规律以及飞机纵向过载的传递路径以及应力、应变分布规律,为舰载飞机拦阻着舰提供一种安全可靠的评估方法,同时,也为飞机起落架和机身结构的优化提供一定的参考。研究拦阻过程中有无气动载荷对舰载机着舰的影响,分析得到拦阻过程中考虑气动载荷的作用时,飞机着舰后姿态会更加平稳,机翼翼尖的z位移上下振动的幅度会更小,起落架油液阻尼力和空气弹簧力的瞬态峰值较小,机翼上的垂向过载也较小。拦阻过程中有无气动载荷作用对机身纵向过载以及应力应变的大小和分布规律无明显影响。研究对中拦阻着舰和非对称拦阻着舰下飞机的姿态变化规律和飞机的动态响应,可以分析得到:非对称拦阻着舰对飞机的纵向位移有影响,同时也存在侧向位移;此外,飞机左右主起落架的缓冲力变化趋势不一致,不对称;飞机机翼翼尖的z向位移变化趋势也不一致;飞机机身左右两侧靠近拦阻钩附近位置的纵向过载不一样。非对称拦阻对飞机机身的应力以及机翼应变的大小和分布规律无明显影响。
【学位单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V271.492;O313.7
【部分图文】：

多体系统动力学渊源源于 Newton-Euler，Lagrange 等人的经典力学[1]，其发展已有二百多年的历史。多体系动力学是一门交叉性学科，它是由刚体动力学、经典力学、弹性力学、矩阵理论、图论、计算数学等多学科相结合的产物，是目前的研究热点和难点，具有重要的工程应用背景，也是应用力学最活跃的领域之一[2]。多体系统的中“系统”是指由一组元素，通过某种连接方式，组成一个具有某种功能的有机整体。多体系统具有一定的特点，其都由以下 4 类元素的组合而成：（1）体：系统中的各个构件；（2）铰：各构件之间无质量的运动约束；（3）力：系统内体间的，以及系统外物体所施加的力矢或力矩；（4）拓扑结构：体与体的连接结构。工程机械、飞机、航天器、机器人等是最为常见的多体系统，如图 1.2-1、图 1.2-2、图 1.2-3、图 1.2-4 所示。

多体系统动力学渊源源于 Newton-Euler，Lagrange 等人的经典力学[1]，其发展已有二百多年的历史。多体系动力学是一门交叉性学科，它是由刚体动力学、经典力学、弹性力学、矩阵理论、图论、计算数学等多学科相结合的产物，是目前的研究热点和难点，具有重要的工程应用背景，也是应用力学最活跃的领域之一[2]。多体系统的中“系统”是指由一组元素，通过某种连接方式，组成一个具有某种功能的有机整体。多体系统具有一定的特点，其都由以下 4 类元素的组合而成：（1）体：系统中的各个构件；（2）铰：各构件之间无质量的运动约束；（3）力：系统内体间的，以及系统外物体所施加的力矢或力矩；（4）拓扑结构：体与体的连接结构。工程机械、飞机、航天器、机器人等是最为常见的多体系统，如图 1.2-1、图 1.2-2、图 1.2-3、图 1.2-4 所示。

图 1.2-3 多体系统：通讯卫星 图 1.2-4 多体系统：机器人多体系动力学研究可以追溯到 20 世纪 60 年代， Witterenburg 和 Roberson[3]将图论法引入多体系动力学研究，奠定了多刚体系统动力学 Lagrange 方法的基础。Witterenburg在 1977 年出版的“多刚体系统动力学”[4](Dynamics of System of Rigid Bodies)，以及由国际理论与应用力学会（IUTAM）主持的第一次国际性多体系统动力学讨论会的召开，标志着多刚体系统动力学的理论体系的形成。到目前为止，刚柔耦合多体系统动力学的发展可以划分为四个阶段。（1）运动-弹性动力学建模方法，即 KED 法[5]。该方法不考虑构件的弹性变形对其大范围运动的影响，只是通过刚体系统动力学分析得到构件的运动状态，结合构件的惯量（惯性力）和外力对构件进行弹性变形和强度分析。（2）混合坐标建模方法。该方法提出了用大范围浮动系的刚体坐标与柔性体的节点坐标（或模态坐标）建立动力学模型[6]，将构件的浮动坐标固化，弹性变形按理想边
【参考文献】

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本文编号：2883331