一种舰载机着舰过程拦阻钩弹跳与钩索啮合分析方法与流程

1.本发明属于舰载飞机拦阻钩撞击甲板的动态响应载荷仿真技术领域，尤其涉及一种舰载机着舰过程拦阻钩弹跳与钩索啮合分析方法。


背景技术：

2.拦阻钩是舰载飞机与陆基飞机的一个显著区别，其主要作用是在飞机顺利进场后钩住航母拦阻索，产生拦阻力，使高速运动的飞机实现短距制动。舰载机在拦阻钩挂索之前，拦阻钩最先与甲板进行碰撞，并在纵向拦阻器的作用下发生有限高度的弹跳。由于舰载机下沉速度较大，这就会导致拦阻钩在与甲板碰撞以后，即便是在纵向阻尼器作用下依然发生较大回弹，若不加以控制，拦阻钩上弹甚至会超过拦阻索，造成舰载机挂索失败，因此在研究舰载机着舰过程中考虑拦阻钩弹跳过程十分重要。
3.目前研究这一过程的方法分为理论分析与有限元建模分析，理论分析主要是通过构建反弹动力学模型来计算求解钩索反弹高度，这种方法优点在于计算速度快，可得到解析解，缺点是模型过于理想化，往往与实际情况有较大误差，无法满足钩索啮合判定的需求；有限元建模分析方法则是通过建立舰载机的有限元分析模型进行数值计算求解，这种方法可以将多种因素考虑进模型中，结果也与真实情况较为接近，但目前的有限元建模方法大多对于拦阻钩的考虑不够充分，建模过程中对于拦阻钩也通常视为一个整体进行建模，导致拦阻钩模型结构动响应结果不够准确，拦阻钩在着舰时的弹跳响应不够准确，无法进行可靠的钩索啮合判断。


技术实现要素：

4.本发明针对目前研究舰载机着舰过程拦阻钩弹跳理论分析与实际情况误差较大，有限元建模不够准确的现状，提出一种舰载机着舰过程拦阻钩弹跳与钩索啮合分析方法，为飞机拦阻钩、拦阻索动态性能设计和着陆安全评估提供依据。本发明的具体技术方案如下：
5.一种舰载机着舰过程拦阻钩弹跳与钩索啮合分析方法，包括以下步骤：
6.s1：建立拦阻钩模型；
7.s2：建立传力机身模型，采用壳单元建模，定义为刚体；
8.s3：建立甲板模型，拦阻钩与甲板接触区域采用体网格建模，其余甲板部分采用壳单元建模，材料定义为钢；
9.s4：建立拦阻索模型，通过离散的弹簧梁单元建立具有弹性钢索模型，通过包围梁单元的壳单元，模拟钢索外形，进行拦阻钩挂索接触判定；
10.s5：建立前起落架有限元模型，分为轮胎、扭力臂、支柱、支撑杆四个部分，扭力臂、支柱、支撑杆均采用壳单元建模，材料定义为钢；轮胎胎体采用体网格建模，材料定义为奥格登橡胶，胎体内部定义封闭气室，并进行轮胎气压的刚度标定，即根据轮胎压缩量和轮胎支持力之间的关系，校核轮胎气压；用同样建模方法对主起落架建模；
11.s6：起落架落震校核，校核过程是对构建的起落架有限元模型给定初始的下落速度，仿真模拟得到缓冲支柱的位移曲线，轮胎的垂直受力情况以及轮胎的压缩量变化情况，再将得到的仿真曲线与实际落震试验过程中得到的曲线对比，校核仿真得到结果满足误差精度要求，则确定起落架缓冲特性参数；
12.s7：定义拦阻钩以及拦阻钩与机身、机身与起落架之间的接触关系；
13.s8：对得到的舰载机着舰有限元模型进行有限元计算求解，提取计算结果中的钩索啮合判定情况、拦阻钩弹跳跨度、弹跳高度，结合计算工况进行结果处理分析。
14.进一步地，所述步骤s1的具体方法为：
15.s1
‑
1：将拦阻钩模型分为钩头、钩臂、稳定器、万向接头以及纵向阻尼器，其中，钩头、钩臂用体网格建立有限元模型，稳定器、万向接头、纵向阻尼器的外壳均采用壳单元进行建模，并赋予对应材料的材料属性，形成整体外形；
16.s1
‑
2：建立纵向阻尼器内部杆单元，采用壳单元建立外壳，在阻尼器中建立纵向杆单元，杆单元材料定义为弹性梁杆，根据纵向阻尼器特性要求对杆单元设置相应位移
‑
外力曲线数据，通过杆的位移变形得到相关阻尼力数据，模拟纵向阻尼器的功能；
17.s1
‑
3：建立稳定器内部杆单元，杆单元定义为弹性梁杆，根据稳定器横向减摆要求对杆单元设置响应位移
‑
外力曲线数据，通过杆的位移变形得到相关阻尼力数据，模拟稳定器的功能。
18.进一步地，所述步骤s7中，钩头与钩臂之间的为固接、钩臂与稳定器之间为滑动、钩臂与万向接头之间为转动、万向接头与纵向阻尼器之间为转动、拦阻钩与机身之间为转动、机身与起落架之间为固接。
19.本发明的有益效果在于：
20.1.本发明通过对拦阻钩进行细致建模，以及对于轮胎和起落架进行校核，使得舰载机着舰过程中的拦阻钩弹跳问题能够进行精确模拟。本发明提出的有限元建模方法相比现有的计算分析方法考虑了更多的影响因素，得到的结果更准确；
21.2.本发明可实现对拦阻钩撞击甲板的模拟仿真，解决了舰载飞机着舰过程中拦阻钩撞击甲板的动态响应难以获取的问题，为拦阻钩和拦阻索的总体设计和着舰安全提供重要参考依据；
22.3.本发明提出的仿真方法可实现舰上各种复杂环境的模拟，包括下沉速度、航向速度、飞机的牵连运动，通过校核获得与实际着舰情况较为一致的拦阻钩动响应数据，节省实验成本，提高设计效率；
23.4.本发明提出的仿真方法可适用于不同着舰速度的舰载飞机，同时也适用于不同形式的拦阻钩。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。其中：
25.图1是本发明的方法的流程图；
26.图2是拦阻钩纵向弹跳位移时间图；
27.图3是拦阻钩横向弹跳位移时间图；
28.图4是拦阻钩模型；
29.图5是前起落架模型；
30.图6是主起落架模型；
31.图7是传力机身模型；
32.图8是拦阻索模型。
具体实施方式
33.为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
34.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
35.如图1所示，本发明提供了一种舰载机着舰过程拦阻钩弹跳与钩索啮合分析方法，通过对拦阻钩进行部件建模，并进行轮胎刚度校核和起落架落震校核，使得舰载机着舰过程中的拦阻钩弹跳问题得以研究，具体通过建立包括甲板、起落架、拦阻钩、传力机身和拦阻索的拦阻动力学模型，使得在舰载机着舰时刻拦阻钩索啮合动力学响应计算上更为准确。
36.一种舰载机着舰过程拦阻钩弹跳与钩索啮合分析方法，包括以下步骤：
37.s1：建立拦阻钩模型；
38.s2：建立传力机身模型，采用壳单元建模，定义为刚体；
39.s3：建立甲板模型，拦阻钩与甲板接触区域采用体网格建模，其余甲板部分采用壳单元建模，材料定义为钢；
40.s4：建立拦阻索模型，通过离散的弹簧梁单元建立具有弹性钢索模型，通过包围梁单元的壳单元，模拟钢索外形，进行拦阻钩挂索接触判定；
41.s5：建立前起落架有限元模型，分为轮胎、扭力臂、支柱、支撑杆四个部分，扭力臂、支柱、支撑杆均采用壳单元建模，材料定义为钢；轮胎胎体采用体网格建模，材料定义为奥格登橡胶，胎体内部定义封闭气室，并进行轮胎气压的刚度标定，即根据轮胎压缩量和轮胎支持力之间的关系，校核轮胎气压；用同样建模方法对主起落架建模；
42.s6：起落架落震校核，校核过程是对构建的起落架有限元模型给定初始的下落速度，仿真模拟得到缓冲支柱的位移曲线，轮胎的垂直受力情况以及轮胎的压缩量变化情况，再将得到的仿真曲线与实际落震试验过程中得到的曲线对比，校核仿真得到结果满足误差精度要求，则确定起落架缓冲特性参数；
43.s7：定义拦阻钩以及拦阻钩与机身、机身与起落架之间的接触关系，其中，钩头与钩臂之间的为固接、钩臂与稳定器之间为滑动、钩臂与万向接头之间为转动、万向接头与纵向阻尼器之间为转动、拦阻钩与机身之间为转动、机身与起落架之间为固接。
44.s8：对得到舰载机着舰有限元模型进行有限元计算求解，提取计算结果中的钩索
啮合判定情况、拦阻钩弹跳跨度、弹跳高度，结合计算工况(机身俯仰角、滚转角、下沉速度)进行结果处理分析。
45.步骤s1的具体方法为：
46.s1
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1：将拦阻钩模型分为钩头、钩臂、稳定器、万向接头以及纵向阻尼器，其中，钩头、钩臂用体网格建立有限元模型，稳定器、万向接头、纵向阻尼器的外壳均采用壳单元进行建模，并赋予对应材料的材料属性，形成整体外形；
47.s1
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2：建立纵向阻尼器内部杆单元，采用壳单元建立外壳，在阻尼器中建立纵向杆单元，杆单元材料定义为弹性梁杆，根据纵向阻尼器特性要求对杆单元设置相应位移
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外力曲线数据，通过杆的位移变形得到相关阻尼力数据，模拟纵向阻尼器的功能；
48.s1
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3：建立稳定器内部杆单元，杆单元定义为弹性梁杆，根据稳定器横向减摆要求对杆单元设置响应位移
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外力曲线数据，通过杆的位移变形得到相关阻尼力数据，模拟稳定器的功能。
49.较佳地，步骤s7中，钩头与钩臂之间的为固接、钩臂与稳定器之间为滑动、钩臂与万向接头之间为转动、万向接头与纵向阻尼器之间为转动、拦阻钩与机身之间为转动、机身与起落架之间为固接。
50.为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体实施例对本发明的上述技术方案进行详细说明。
51.实施例1
52.针对某型舰载机考虑了拦阻钩弹跳与钩索啮合过程，对舰载机进行了着舰拦阻有限元建模，如图4
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图8所示。在对于拦阻钩弹跳与钩索啮合仿真结果的分析过程中，应该重点关注舰载机着舰过程中拦阻钩碰撞甲板后一定时间内拦阻钩的纵向以及横向弹跳位移曲线变化图。为达到钩索啮合的条件，实现舰载机的成功着舰拦阻，一般要求拦阻钩第一次纵向弹跳高度不应超过1m，横向弹跳位移不超过6.1m。
53.在本实施例中，通过仿真结果曲线图2看到，拦阻钩在着舰过程中第一次最大纵向弹跳高度为0.99m，该时刻发生在舰载机着舰0.11s后。
54.通过图3看到，拦阻钩在着舰过程中最大横向移动距离为0.24m，该时刻发生在舰载机着舰1.5s后。从本实例仿真结果中可以看到，根据上述钩索啮合所需要满足的条件可知，该实施例着舰过程中能够完成钩索啮合，并成功实现着舰拦阻。
55.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。