某型飛機(jī)尾橇緩沖裝置阻尼油孔設(shè)計(jì)及優(yōu)化

吳曉宇

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 200135)

0 前言

根據(jù)運(yùn)輸類飛機(jī)適航條款CCAR25.107的要求，必須確定飛機(jī)的最小離地速度，在等于和高于該速度時(shí)，飛機(jī)可以安全離地并繼續(xù)起飛。某型飛機(jī)承擔(dān)最小離地速度試飛科目，但因其是“按幾何設(shè)計(jì)”的飛機(jī)，在進(jìn)行該試飛科目時(shí)因飛機(jī)抬頭過(guò)高會(huì)造成尾部觸地，如圖1所示，所以需要在飛機(jī)尾部下表面加裝特殊的緩沖裝置以保護(hù)飛機(jī)本體結(jié)構(gòu)不受到損壞。

圖1 飛機(jī)最小離地速度試飛接地示意

尾橇緩沖裝置主要用于承受和耗散飛機(jī)在最小離地速度試飛科目時(shí)尾部與地面的撞擊能量，因此該裝置的緩沖性能極為關(guān)鍵。通過(guò)對(duì)其阻尼油孔的特殊設(shè)計(jì)和優(yōu)化，可以降低阻尼峰值，提高緩沖效率。

1 阻尼油孔有效面積的計(jì)算方法

尾橇系統(tǒng)作用是飛機(jī)在進(jìn)行最小離地速度試飛科目時(shí)保護(hù)飛機(jī)尾部結(jié)構(gòu)，因此，需要尾橇系統(tǒng)在所有試飛條件下均滿足要求。取最大起飛質(zhì)量工況作為極限驗(yàn)證工況，如表1所示。

表1 最小離地速度試驗(yàn)極限工況

飛機(jī)在執(zhí)行最小離地速度()試飛任務(wù)時(shí)，尾橇緩沖器可在觸地后吸收飛機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生的能量。為了使機(jī)體結(jié)構(gòu)受到的載荷最小，在整個(gè)緩沖行程中阻尼力保持恒定時(shí)，緩沖效率最高，此時(shí)阻尼力峰值最低。而阻尼力與油孔的大小有關(guān)，因此需選取油孔有效面積隨行程變化的設(shè)計(jì)方式。

假設(shè)已知尾橇所受的當(dāng)量質(zhì)量和初始沖擊速度，則需要被吸收的飛機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)能量可轉(zhuǎn)化為

(1)

式中：為飛機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)能量；為當(dāng)量質(zhì)量；為初始沖擊速度。

為了在緩沖行程中吸收該能量，阻尼力作的功需要與之相等，隨后將其轉(zhuǎn)化成熱量耗散。由于需要降低峰值載荷，因此最佳的阻尼力為一個(gè)不隨時(shí)間和行程變化的恒定值。在最大緩沖行程下最優(yōu)化的阻尼力為

=/

(2)

式中：為阻尼力；為最大緩沖行程。

在這個(gè)阻尼力的作用下，緩沖器壓縮速率為線性變化，隨時(shí)間變化如下：

()=-·

(3)

式中：()為緩沖器壓縮速率。

上式等號(hào)兩邊對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分(=0時(shí)，=)，得到行程隨時(shí)間變化的公式:

=-(2)·+·+

(4)

式中：為緩沖行程；為緩沖器初始行程。

已知初始條件()=和(=0)=0，將式(3)和式(4)中時(shí)間消去，得到速度和行程之間的關(guān)系：

(5)

在壓縮過(guò)程中的有效壓油面積為，則緩沖器高壓油腔中的壓力為

=

(6)

式中：為高壓油腔的壓力；為壓油面積。

由于低壓油腔中的壓力與高壓油腔中的壓力相比可以忽略不計(jì)，則可由流量公式推導(dǎo)油孔有效面積的變化公式：

(7)

式中：為油孔的縮流系數(shù)；為油孔的有效面積；為低壓油腔的壓力；為油液密度；為緩沖器壓縮速率。

由式(7)可以看出與速度成正比關(guān)系，將式(5)和式(6)代入可以推導(dǎo)得出與行程的關(guān)系如下：

(8)

由式(6)和式(7)可得阻尼力公式為

(9)

2 油孔初步設(shè)計(jì)方案

將極限工況的參數(shù)代入公式(1)中計(jì)算可知，尾橇緩沖器必須能夠吸收飛機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)能量為23 816.96 J，以此作為緩沖器設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)。除了油孔參數(shù)以外，緩沖器還有其他設(shè)計(jì)參數(shù)，見(jiàn)表2。

表2 某型飛機(jī)尾橇緩沖器參數(shù)

該尾橇緩沖器采用套筒式變油孔，其結(jié)構(gòu)型式如圖2所示，采用雙側(cè)對(duì)稱布置，圖中僅顯示了一側(cè)油孔。

圖2 套筒式變油孔

這種型式的變油孔的特點(diǎn)是使用“等直徑變距離”分布式油孔，整個(gè)油孔套筒構(gòu)成了緩沖器外筒。它的工作原理是隨著緩沖器的壓縮，油液被擠壓流過(guò)油孔產(chǎn)生阻尼力。隨著緩沖器的壓縮，位于活塞下端的油孔越來(lái)越多，而活塞上端的有效油孔面積則越來(lái)越小，此時(shí)行程速度不斷減小。將有效油孔面積按公式(8)設(shè)計(jì)可使其與行程速度成正比關(guān)系，從而通過(guò)公式(9)可知此時(shí)阻尼力為恒定的值，此時(shí)緩沖效率最大，阻尼峰值最小。

緩沖器行程定為200 mm，設(shè)定單側(cè)油孔數(shù)量為30個(gè)，油孔直徑初步選取1.1、1.2和1.3 mm(3個(gè)直徑進(jìn)行比較后選擇最優(yōu)值)。由公式(8)可知行程與油孔有效面積之間的函數(shù)關(guān)系，可以在行程范圍內(nèi)得到圖3所示的曲線。

圖3 行程與油孔面積變化曲線

當(dāng)油孔直徑取1.1 mm時(shí)，最大油孔面積為5.701 99×10m，將其代入上述曲線中可得最大行程為127 mm；

當(dāng)油孔直徑取1.2 mm時(shí)，最大油孔面積為6.785 84×10m，將其代入上述曲線中可得最大行程為180 mm；

當(dāng)油孔直徑取1.3 mm時(shí)，最大油孔面積為7.963 94×10m，將其代入上述曲線中可得最大行程為248 mm。

綜上可知，油孔直徑取1.1 mm時(shí)，使用行程占用率太低，而取1.3 mm時(shí)最大使用行程超過(guò)緩沖器行程200 mm，因此油孔直徑取1.2 mm最為合理。

當(dāng)油孔直徑取1.2 mm，單側(cè)油孔數(shù)量取30個(gè)，可得到活塞桿從最大行程向行程末端方向移動(dòng)時(shí)，未覆蓋單側(cè)油孔數(shù)量與剩余油孔面積的變化關(guān)系，再將油孔面積代入圖3中的曲線反求位移值，可以得出表3中的各參數(shù)值。

表3 有效油孔面積與位移對(duì)照

利用以上參數(shù)，基于MSC.ADAMS和AMESim聯(lián)合仿真平臺(tái)搭建尾橇緩沖性能分析模型，如圖4所示。

圖4 基于MSC.ADAMS和AMESim的聯(lián)合仿真模型

通過(guò)仿真計(jì)算可得出如圖5所示的功量曲線，可知緩沖器效率僅為80%左右，低于設(shè)定的目標(biāo)效率(100%)較多；阻尼力隨行程變化較大，峰值較高(緩沖器工作過(guò)程中的油液阻尼力峰值為1.538 1×10N)，不滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 油液阻尼力隨行程變化曲線(功量圖)

分析圖5可知：油液阻尼力在行程初期(200 mm)較小，在行程末端(0 mm)陡升。因此油孔面積優(yōu)化的方向?yàn)椋涸谛谐坛跗谶m當(dāng)減小，在行程末端適當(dāng)增大。而油孔直徑和數(shù)量一定，面積也一定，因此作者選取的優(yōu)化策略為：油孔面積、數(shù)量不變，而改變?cè)趯?duì)應(yīng)油孔面積下的行程(即表2中的位移值)。

在優(yōu)化油孔面積分布的時(shí)候需要考慮的原則有：(1)油孔面積最大處的位移值不能超過(guò)200 mm；(2)油孔面積最小處的位移值不能低于0 mm；(3)保持行程與油孔有效面積變化曲線平滑度，盡量避免出現(xiàn)凸峰或凹峰。

3 優(yōu)化油孔參數(shù)

根據(jù)優(yōu)化方向和優(yōu)化原則對(duì)油孔分布進(jìn)行調(diào)整，選擇的方案為不改變油孔面積和數(shù)量，僅將對(duì)應(yīng)有效油孔面積的位移值增加10 mm，如表4所示。

表4 優(yōu)化后的有效油孔面積與位移對(duì)照

利用優(yōu)化后的參數(shù)進(jìn)行聯(lián)合仿真計(jì)算可得到如圖6所示的功量曲線，可知：緩沖器效率為93%左右，接近設(shè)定的目標(biāo)效率(100%)；阻尼力隨行程變化較為平緩，峰值較低(緩沖器工作過(guò)程中的油液阻尼力峰值為1.302 6×10N)，基本滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 優(yōu)化后的油液阻尼力隨行程變化曲線(功量圖)

經(jīng)過(guò)上述優(yōu)化，可以得到一套基本滿足效率和載荷峰值要求的油孔布置方案。優(yōu)化前后的參數(shù)對(duì)比如表5所示。

表5 優(yōu)化前后的參數(shù)對(duì)比

由結(jié)果可得，優(yōu)化后峰值載荷減小15.3%，效率增加了16.25%，該油孔優(yōu)化方案合理有效。

4 結(jié)論

(1)提出一種新型的阻尼油孔設(shè)計(jì)方案，并應(yīng)用在尾橇緩沖裝置上；

(2)研究變油孔的設(shè)計(jì)方法并通過(guò)計(jì)算公式說(shuō)明其原理；

(3)采用該設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了一套“等直徑變距離”的分布式油孔，形成了一個(gè)套筒式尾橇阻尼油孔方案；

(4)利用MSC.ADAMS和AMESim聯(lián)合仿真搭建了尾橇緩沖性能分析模型并進(jìn)行了緩沖性能仿真分析和優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后峰值載荷降低15.3%，緩沖效率增加16.25%。該優(yōu)化方案合理有效，為分布式變油孔優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一種切實(shí)可行的方法。