民机襟翼交联机构吸能元件的吸能特性研究

　　摘要：采用有限元分析与冲击试验相结合的方式对膨胀管与波纹管的吸能特性进行探究：通过数值仿真分析对吸能元件的试验过程进行初步掌握，同时根据冲击试验结果对试验设计的不合理之处进行修正;然后开展两种吸能元件的动态冲击试验，探究其吸能特性，最终比较分析有限元仿真分析与落锤冲击试验的试验结果，选择效果理想的吸能元件应用到襟翼交联机构上。结果表明：无论是从吸能行程、吸能稳定性还是吸能结构的设计考虑，波纹管都是最适合应用到交联机构中的吸能元件，该吸能元件比吸能大，吸能过程平缓稳定，吸收能量之后只有塑性形变但结构不发生破坏，同时吸能行程短，吸能结构简单，便于安装拆卸。

　　关键词：吸能元件;襟翼交联机构;数值仿真分析;落锤冲击试验;膨胀管;波纹管

　　飞机的襟翼交联系统在飞机的增升装置中扮演着非常重要的角色，一旦出现故障，会给飞机的飞行带来恶劣的影响，严重危害飞机的飞行安全。目前，欧美等发达国家在大型民机襟翼交联系统设计技术方面取得了一些成果：如在空客A320、A340以及A380系列飞机的襟翼驱动系统中，襟翼翼面间采用了交联作动器。

　　但是目前国内在该方面的研究刚刚起步，相关的文献资料也非常有限，所以对襟翼交联系统开展更加深入与详细的研究是非常有必要的。襟翼交联系统在正常工作时，如果襟翼间相对位移超过交联系统的自由行程，作为制动结构的内外襟翼交联系统会受到一个峰值较大的冲击载荷，因此非常有必要在内外襟翼交联系统中增加动能吸收和耗散环节，以降低过渡过程的瞬态冲击载荷，保证襟翼系统的结构安全。吸能元件[1-3]做为襟翼交联系统的重要部件，用以在襟翼故障时吸收脱开翼面的冲击动能，降低冲击载荷。通过研究交联系统吸能元件的吸能效率合理应用，可以对襟翼交联系统的设计提出指导性建议，有助于提高襟翼系统的可靠性。

　　吸能元件的主要设计要求有：具有较强的吸能能力，能够降低碰撞的初始峰值载荷，较短的吸能行程。而金属薄壁管由于其优异的能量吸收特性，被广泛应用各工程领域[4-6]。金属薄壁管目前被广泛采用的吸能方式主要有三种:第一种是通过构件轴向压溃变形吸收能量[7-9]，第二种是通过构件扩径塑性变形吸收能量[10-12]，第三种是通过构件撕裂变形吸收能量[13-15]。

　　结合襟翼交联系统的结构设计、空间设计和吸能元件的设计要求，选择膨胀管[16-17]与波纹管两种结构形式的吸能元件进行探究，最终得到合适的吸能元件。膨胀管具有吸能行程长、缓冲力平稳等优点，体积小、结构简单易加工[18-19];波纹管是由多个波纹及端部直边段组成的圆形挠性元件，其吸能过程平稳且有较好的可控性，具有良好的抗弯曲、抗拉伸、抗压缩能力[20]。

　　1有限元数值模拟仿真

　　缓冲吸能过程是一个非常典型的冲击问题，不仅涉及到材料的非线性力学行为，同时还包含了相当复杂的接触现象，我们使用Abaqus软件对试验进行模拟，并使用Abaqus/Explicit求解器对模型求解，用以对试验现象进行初步掌握，发现试验设计不合理之处，继而对落锤冲击试验的相关参数进行修正。

　　1.1有限元模型的建立

　　建立膨胀管的有限元模型，并实际做适当简化：底座和落锤均视为刚体，使用有限元建模中的节点约束替代圆柱凸台对管件的约束作用，并将落锤撞击点准确定位为冲头中心。膨胀管材料使用铝合金7050-T7451，采用Johnson-cook硬化准则和Johnson-cook破坏准则，以破坏能量为标准考虑损伤演化，并考虑7050-T7451应变率带来的效应。冲头的材料采用20CrMo钢，采用Johnson-cook本构模型，且不考虑材料的损伤破坏。膨胀管件和钢制冲头之间不使用润滑剂，动摩擦因数设为0.17。同时根据设计要求，ICS吸能元件的冲击能量设置为160J，且碰撞初速度为2.787m/s。波纹管试验的有限元模型建立思路基本和膨胀管试验一致。

　　1.2有限元仿真结果及分析

　　膨胀管模型的有限元数值模拟仿真是一个连续的冲击过程，展示了膨胀管的变形:可以观察到随着冲头向下，膨胀管管壁被迫扩张，材料超过屈服强度，发生塑性变形，同时冲头和管件内壁产生强烈的摩擦,随着管壁逐渐扩张，落锤的冲击能量被转化为铝合金的塑性应变能，同时通过摩擦转化为内能消耗。

　　波纹管模型的仿真过程与膨胀管类似。可以观察到：随着冲头向下，波纹管的相邻波纹间距开始减小，管壁局部发生弯折，此部分材料超过屈服强度，发生塑性变形，随着波纹间距进一步减小，塑性区域在管件中均匀扩大，冲击能量转化为塑性应变能，落锤停止下落。同时可以看到，与膨胀管局部区域塑性屈服相比，波纹管塑性屈服区域广泛分布于整个管件。

　　Abaqus软件可以获得该有限元仿真过程中的“载荷-时间”曲线以及“位移-时间”曲线，然后通过函数结合得到“载荷-位移”曲线，经过滤波等方法处理过后的曲线。可以看出，从载荷方面考虑，两类吸能元件的吸能过程均没有出现初始峰值载荷，波纹管相比于膨胀管能够更快地到达平台载荷(波纹管压缩3mm左右到达平台载荷，膨胀管压缩12mm左右到达平台载荷)，且波纹管平台载荷大于膨胀管平台载荷(波纹管的平台载荷16000N，膨胀管的平台载荷8000N);从吸能行程考虑，波纹管的吸能行程为12mm左右，膨胀管的吸能行程为25mm左右。因此，从峰值载荷、平台载荷和吸能行程几个角度来看，波纹管相比膨胀管有巨大优势。

　　2动态冲击试验

　　2.1准静态压缩试验

　　动态冲击试验具有较大的破坏性且属于不可逆过程，试验件一旦受到冲击便不能再使用，所以在进行动态冲击试验之前，有必要预先对膨胀管和波纹管进行准静态轴向压缩试验并记录压缩过程，这样不仅可以对两种吸能元件的吸能特性以及压缩变形过程有初步的了解，还能有效减少试验成本，甚至还能避免不正确的操作方式对试验机造成损坏。

　　2.2冲击试验介绍

　　其中波纹管材料有两种：标准为AMS4050H的铝合金7050-T7451与标准为GB/T3191-1998的铝合金2A12-T4，膨胀管材料为标准为AMS4050H的铝合金7050-T7451。同时膨胀管上部制作出扩张倒口，方便和冲头进行配对，保证冲头对管件的压缩始终为轴向的。本次冲击试验使用的实验仪器为JSL-3000落锤式示波冲击试验机。

　　该试验机的工作原理是自由落体：即由举升系统将固定落锤提升到一定的高度，然后释放落锤，使其在重力的作用下自由下落，对固定好的试验件进行高速冲击，冲击能量则由落锤质量和提升高度共同控制;同时，该试验机的传感器会将冲击试验过程中的载荷、位移等数据传输给电脑，生成“载荷-位移”曲线和“位移-时间”曲线。

　　2.3冲击试验

　　检查吸能元件的外观、结构，确保没有损伤，然后进行试验机调试，消除间隙，检查落锤系统、防二次冲击装置、测速装置、记录系统和高速摄像机系统等。本次试验的总能量W设计为160J，根据该能量值对配重块重量、悬挂高度进行匹配。同时考虑到在冲击速度匹配时落锤配重块的重量过大会加大试验难度，且管件材料为应变率不敏感材料，故通过加气加压的方式增加落锤冲击速度，减小配重块的质量。在本次试验中，落锤质量m为36.7kg，提升高度h为0.45m，重力加速度g取9.8m/s^2,可得冲击速度v为2.97m/s。

　　试验步骤严格按照试验大纲的步骤进行试验，并记录每种工况下的冲击速度、冲击能量、冲头的接触力-时间曲线以及每次试验中冲头速度、冲头位移以及吸收能量随时间的变化。同时，为了消除试验中可能出现的偶然性，7050-T7451铝合金波纹管、2A12-T4铝合金波纹管和7050-T7451铝合金膨胀管各做5次试验，并除去由于试验件破损或断裂造成结果不符合预期的，最终三组试验各选取一个典型数据与曲线进行分析。

　　3结论

　　本文采用有限元模拟与动态冲击试验相结合的方法对缓冲吸能过程进行探究：通过仿真模拟对冲击试验的方法、参数等提供设计参考，然后根据冲击试验的结果来验证理论模型的可行性，相辅相成，缺一不可，并获得了如下结论:1)通过本次探究，对波纹管与膨胀管的吸能原理、吸能行程以及吸能能力有了一定程度的掌握，同时也为后续吸能元件的探究与应用提供了一定的参考;2)无论是从吸能行程、吸能稳定性还是吸能结构的设计考虑，材料为铝合金2A12-T4的波纹管都是最适合应用到ICS中的吸能元件，该吸能元件比吸能大，吸能过程平缓稳定，吸收能量之后只有塑性形变但结构不发生破坏，同时吸能行程短，吸能结构简单，便于安装拆卸;3)本次对吸能元件缓冲吸能过程的研究方法具备可行性：以波纹管、膨胀管的仿真模拟为依据设计冲击试验，并且冲击试验获得的结果与仿真模拟的结果基本一致，验证了本次冲击试验设计的可行性，为吸能元件在缓冲吸能过程中的工程应用奠定了一定的基础。

　　同时，由于时间的限制以及本人能力有限，本次研究依然存在很多不足与改进的空间：本次试验虽然对材料不同或者结构不同的三种吸能元件各做了五组重复试验，但是最后的能量吸收曲线表明，吸能元件在整个缓冲吸能过程中吸收的能量略小于设计能量，后续拟改变初始能量设置值，在初始能量设置值160J上下各设置几组能量值，探究造成误差的原因是试验件的吸能能力已达到极限还是该冲击试验设计方案存在系统误差。

　　参考文献：

　　[1]张巍.轻质薄壁金属结构冲击吸能性与数值研究[D].大连理工大学，2008.ZHANGWei.Impactenergyabsorptionandnumericalstudyoflightweightthin-walledmetalstructures[D].DalianUniversityofTechnology,2008.(inChinese)

　　[2]王志伟，姚著.蜂窝纸板冲击压缩的试验研究和有限元分析[J].机械工程学报，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]邹猛，于用军，张荣荣，魏灿刚，王会霞等.仿牛角结构薄壁管吸能特性仿真分[J].吉林大学学报：工学版,2015,45(6)：1863-1868.

　　作者：高煜翔1，陆建国1，方俊伟1，周晓宸2，席博伟3

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