国外在解决水陆两栖飞机抗水冲击问题上主要采用安装水橇装置的方法,国外的研究表明[1, 2, 3],水橇具有很好的缓冲效果,并且有利于保持飞机着水后的运动稳定性,而国内在水橇技术方面起步晚,存在较多空白,本文在此背景下进行相关参数对水橇降载性能的影响研究,旨在为国内水橇技术研究提供一定的参考。
国外在水橇技术研究问题上主要采用了试验研究的方法[4, 5, 6, 7],目前计算机技术高速发展,数值仿真计算因其成本低、耗时短和计算精度高等优势而逐渐受到重视,国内外很多****在飞机入水问题上进行了数值仿真计算。Melis[8]采用LS-DYNA软件中的ALE耦合算法,对火箭助推器尾裙落水过程进行了数值仿真。贺谦等[9]由LS-DYNA软件分析了飞机速度和着水角度对机身结构的影响规律。刘静[10]基于LS-DYNA软件,建立地效翼船有限元模型,对其着水过程进行模拟,得到地效翼船着水时的受力特性。刘翔[11]用LS-DYNA软件中的ALE耦合算法模拟了A320飞机的水上迫降,着重分析了其迫降性能随降落条件的变化情况。罗琳胤等[12]基于LS-DYNA仿真平台,采用ALE耦合算法对水陆两栖飞机水上降落过程进行了仿真研究。张韬等[13]由MSC.Dytran软件模拟了客机水上迫降过程。魏照宇等[14]使用MSC.Dytran软件分析了一种水下航行器的入水问题。闫明[15]基于Fluent软件,采用动网格技术模拟了飞机水上迫降,研究了迫降过程中飞机姿态角和速度的变化情况以及飞机底部受力分布等情况。郭保东等[16]通过Fluent软件中的动网格以及流体体积(Volum of Fluid,VOF)技术对混合翼身布局客机SAX-40的水上迫降力学性能进行了数值研究。
本文采用MSC.Dytran有限元软件的一般耦合算法研究飞机运动参数对水橇降载性能的影响规律。
1 支柱式沉浸水橇一般构型水橇是一种拥有小展弦比滑行面的装置,本文所讨论的为支柱式沉浸水橇,其在水陆两栖飞机上的一般构型见图 1。水橇的安装位置一般在重心G附近,由于水橇入水后支柱与水橇会受到水阻力使飞机产生埋首力矩,因此水橇安装时应适当前移。
 |
| 图 1 支柱式沉浸水橇安装位置与水陆两栖飞机 Fig. 1 Installation position of immersed strut hydro-ski and amphibious aircraft |
| 图选项 |
水橇顶部为倒U形,底部为楔形,水橇为尖艏,支柱采用三棱柱形式,支柱与水橇的连接位置在水橇艉部。支柱式沉浸水橇三视图见图 2。
 |
| 图 2 支柱式沉浸水橇三视图 Fig. 2 Three view drawing of immersed strut hydro-ski |
| 图选项 |
2 算法简介MSC.Dytran软件的流-固耦合方式主要有一般耦合和ALE耦合,本文采用一般耦合进行仿真研究。MSC.Dytran有2种求解方法:拉格朗日求解法和低阶欧拉求解法。
2.1 拉格朗日求解法通过显式积分法将运动微分方程
改写为
推出加速度为
式中:M为结构质量矩阵;C为结构阻尼矩阵;K为结构刚度矩阵;Fextn为外载荷矢量;Fintn为内力矢量;Fresidualn为剩余矢量;an为加速度;vn为速度;dn为位移;n=1,2,…。
将单元质量分布在节点上,可以求出节点加速度为
假设加速度在一个时间步内是恒定的,在时间推进上采用中心差分法:
2.2 低阶欧拉求解法低阶欧拉求解法的三大控制方程如式(7)~式(9)所示。
质量守恒:
动量守恒:
能量守恒:
式中：ρ为密度；u为流速；et为流体单位质量的总能量。
将以上控制方程式(7)~式(9)乘以时间积分的时间步可以求得该时间步内的变化量关系。在tn时刻,假定各参数已知,对相邻元素形心处的流速进行线性插值求得元素边界处的流速:
进而得到单元表面的质量、动量和能量的流量:
式中:ρ2为相邻单元密度。
采用单点高斯积分可得到有关物理量的线性函数,将其代入控制方程可得关于单元形心处各物理量在tn+1时刻的值的线性代数方程组:
式中:(ΔV)i为从时刻tn~tn+1的一个时间步长内流过该单元的第i个表面的体积流量。由式(14)~式(16)可以解出tn+1时刻单元形心处的物理量的值。根据材料本构关系进一步计算出压力值。
2.3 流-固耦合拉格朗日网格原本是与欧拉网格完全独立的,欧拉网格不会对拉格朗日网格产生任何影响,而通过耦合算法则可以使两者产生相互作用。一般耦合算法中,在拉格朗日结构上建立一封闭耦合面,该面在拉格朗日求解域和欧拉求解域中起传递作用力的作用。欧拉单元内的应力作用在耦合面上,使得拉格朗日单元发生变形。
3 仿真分析模型与验证某型水陆两栖飞机模型参数与支柱式沉浸水撬基本参数如表 1所示。
表 1 模型参数Table 1 Model parameters
| 水陆两栖飞机模型 | 支柱式沉浸水橇 | ||
| 参数 | 数值 | 参数 | 数值 |
| 质量/kg | 78 | 水橇宽/m | 0.07 |
| 机身长/m | 4.2 | 水橇长/m | 0.42 |
| 最大宽度/m | 0.41 | 静负荷系数 | 70 |
| 机翼升力/g | 0.65 | 底部斜升角/(°) | 22 |
表选项
3.1 飞机模型利用MSC.Patran软件建立某型水陆两栖飞机加水橇和不加水橇的缩尺比有限元模型。水陆两栖飞机模型的壳单元全部采用三角形板壳元,其中,为保证计算精度,本文对水陆两栖飞机船身底部的网格进行加密处理,网格疏密度为0.04,其他部分网格疏密度为0.07,如图 3所示。
 |
| 图 3 飞机有限元网格 Fig. 3 Aircraft finite element mesh |
| 图选项 |
3.2 流体模型流体模型包括空气和水,其中空气模型是20 m×10 m×1.7 m的六面体;水体模型是20 m×10 m×2 m的六面体。空气和水的欧拉单元均是六面体单元,为保证计算精度,对撞击区域以及水与空气交界处进行加密处理,以提高计算精度,如图 4所示。
 |
| 图 4 流体有限元网格 Fig. 4 Fluid finite element mesh |
| 图选项 |
3.3 输出控制点在船身底部的中部选取一输出控制点,以输出飞机着水后受到中部垂向过载,输出控制点位置如图 5所示。
 |
| 图 5 输出点位置 Fig. 5 Location of output point |
| 图选项 |
3.4 材料选择3.4.1 空气与水的状态方程γ律状态方程用于描述空气域的压力：
式中:e为单位质量比内能;γ为空气比热比。
水域内的压力用状态方程(18)表示:
式中:μ=ρw/ρ0－1,ρw为水密度,ρ0为参考密度;a1=2.2 GPa为水的体积弹性模量;a2、a3、b0和b1为系数。水和空气的状态方程中的参数如表 2所示。
表 2 流体参数Table 2 Fluid parameters
| 材料 | ρ/(kg·m-3) | e/(J·kg-1) | a1/GPa | γ |
| 水 | 1 000 | 83 950 | 2.2 | 0.0 |
| 空气 | 1.288 7 | 193 994 | 0.0 | 1.4 |
表选项
3.4.2 飞机与水橇模型材料飞机和水橇模型材料均采用刚性体材料,材料密度为7 800 kg/m3。
3.5 试验验证与中国特种飞行器研究所合作完成了某型水陆两栖飞机着水冲击载荷模型试验,试验模型按缩尺比λ=1/9.5制成。全机无动力模型由机身、机翼、平尾和垂尾构成,如图 6所示。
 |
| 图 6 全机试验模型 Fig. 6 Test model of whole aircraft |
| 图选项 |
利用专用投放装置在中国特种飞行器研究所拖曳水池中对水陆两栖飞机模型实施无动力投放试验,测试试验过程中,飞机模型中部垂向过载。
将飞机不加水橇情况下,以14 m/s的水平速度、0.7 m/s 的垂向速度和6°着水角着水时的仿真结果与该飞机着水冲击载荷试验结果进行对比,如图 7所示。
 |
| 图 7 仿真与试验结果对比曲线 Fig. 7 Correlation curves of simulation and test results |
| 图选项 |
从图 7中可以看出,仿真值与试验值的变化规律基本一致,二者峰值差距约为8%,说明采用本方法进行仿真具有可行性。
4 仿真结果分析水陆两栖飞机着水参数主要包括水橇着水角和飞机着水速度(水平速度和垂向速度)2个部分。采用第3节仿真方法分别研究水橇着水角和着水速度对水橇降载性能的影响。
4.1 水橇着水角的影响初始条件设置为:飞机着水水平速度为14 m/s,垂向速度为0.7 m/s,改变水橇着水角,分别为2°、4°、5°和6°,仿真结果如图 8所示。从图 8中可以看出,水橇在各着水角条件下均具有一定的降载效果。表 3为各着水角条件下水橇的降载率。
 |
| 图 8 不同着水角下的中部垂向过载对比曲线 Fig. 8 Correlation curves of waist vertical overloads with different touch attitude angles |
| 图选项 |
表 3 水橇在不同着水角条件下的降载率Table 3 Load reduction rate of hydro-ski with different touch attitude angles
| 水橇着水角/(°) | 2 | 4 | 5 | 6 | |
| 中部垂向 | 无水橇 | 1.99 | 2.46 | 2.16 | 2.36 |
| 过载/g | 有水橇 | 1.68 | 2.25 | 1.70 | 1.50 |
| 降载率/% | 15.6 | 8.5 | 21.3 | 36.4 | |
表选项
从表 3中可以看出,水橇着水角对水橇降载性能的影响明显。着水角大于4°时,水橇的降载性能佳,其降载效果随水橇着水角的增加而增大,可达20%以上。
4.2 飞机着水水平速度的影响水橇着水角为6°,保持飞机垂向速度为0.7 m/s,改变水平速度,分别为10、12、14和16 m/s,仿真结果如图 9所示。
 |
| 图 9 不同水平速度下的中部垂向过载对比曲线 Fig. 9 Correlation curves of waist vertical overloads with different horizontal velocities |
| 图选项 |
表 4为各着水水平速度条件下水橇的降载率。从表 4中可以看出,随着水平速度的增大,水橇降载率呈递增的变化规律。这是由于水平速度越大,水橇着水后受到的水动升力以及水阻力也越大,使得飞机的水平速度和垂向速度迅速减小,飞机速降快,有利于冲击载荷的减小。计算表明,水平速度为16 m/s时,水橇的降载率可达50%以上,水橇降载效果非常显著。
表 4 水橇在不同水平速度条件下的降载率Table 4 Load reduction rate of hydro-ski with different horizontal velocities
| 水平速度/(m·s-1) | 10 | 12 | 14 | 16 | |
| 中部垂向 | 无水橇 | 2.17 | 2.15 | 2.36 | 2.64 |
| 过载/g | 有水橇 | 1.55 | 1.37 | 1.50 | 1.10 |
| 降载率/% | 28.6 | 36.3 | 36.4 | 58.3 | |
表选项
4.3 飞机着水垂向速度的影响水橇着水角为6°,保持飞机水平速度为14 m/s,改变垂向速度,分别为0.3、0.5、0.7和0.9 m/s,仿真结果如图 10所示。
 |
| 图 10 不同垂向速度下的中部垂向过载对比曲线 Fig. 10 Correlation curves of waist vertical overloads with different vertical velocities |
| 图选项 |
表 5为各着水垂向速度条件下水橇的降载率。
表 5 水橇在不同垂向速度条件下的降载率Table 5 Load reduction rate of hydro-ski with different vertical velocities
| 垂向速度/(m·s-1) | 0.3 | 0.5 | 0.7 | 0.9 | |
| 中部垂向过载/g | 无水橇 | 2.21 | 2.26 | 2.36 | 2.63 |
| 有水橇 | 0.99 | 1.19 | 1.50 | 1.98 | |
| 降载率/% | 55.2 | 47.3 | 36.4 | 24.7 | |
表选项
从表 5中可以看出,垂向速度越小,水橇的降载效果越显著。
综上分析,在允许的降落速度范围内,当飞机以较大的水平速度和较小的垂向速度水上降落时,水橇的降载效果将更为明显。基于此,设定飞机水平速度为16 m/s,垂向速度为0.9 m/s,水橇着水角为6°进行仿真计算,得到结果如图 11所示。
 |
| 图 11 有无水橇下的中部垂向过载对比曲线 Fig. 11 Correlation curves of waist vertical overloads with presence or absence of hydro-ski |
| 图选项 |
从图 11中可以看出,无水橇时,飞机中部垂向过载为2.44g,加水橇后为0.93g,水橇降载率达到了60%以上,进一步验证了上述结论的可靠性。
5 结 论本文提出了一种适用于水陆两栖飞机的支柱式沉浸水橇构型,并首次利用MSC.Dytran软件对水陆两栖飞机的入水问题进行数值仿真,研究了水陆两栖飞机相关参数对水橇降载性能的影响规律;完成了某型水陆两栖飞机着水冲击载荷模型试验,对数值仿真方法予以验证。通过本文的工作,得出如下结论:
1) 水橇着水角对水橇降载性能的影响明显。着水角大于4°时,水橇的降载性能佳,其降载效果随水橇着水角的增加而增大,可达20%以上。
2) 飞机着水时的水平速度和垂向速度对水橇降载性能的影响明显。水平速度越大,水橇降载效果越显著,垂向速度越小,水橇降载效果越好。在允许的飞机着水速度范围内,当飞机以较大的水平速度和较小的垂向速度着水时,水橇降载效果显著。
参考文献
| [1] | FISHER L J.Model ditching investigation of three airplanes equipped with hydro-skis[R].[S.l.:s.n.],1950. |
| [2] | WADLIN K L,MCGEHEE J R.Planning characteristics of six surfaces representative of hydro-ski forms[R].[S.l.:s.n.],1950. |
| [3] | PETYNIA W W,HASSON D F,SPOONER S H.Aerodynamic and hydrodynamic characteristics of a proposed supersonic multijet water-baesed hydro-ski aircraft with a variable-incidence wing[R].[S.l.:s.n.],1957. |
| [4] | WADLIN K L,RAMSEN J A.Tank investigation of the Grumman JRF-5 airplane fitted with hydro-skis suitable for operation on water,snow,and ice[R].[S.l.:s.n.],1950. |
| [5] | RAMSEN J A,GRAY G R.Tank investigation of the Grumman JRF-5 airplane with a single hydro-ski and an extended afterbody[R].[S.l.:s.n.],1951. |
| [6] | COFFEE JR C W.Tank tests of 1/8-size powered dynamic of the Martin PBM-5 seaplane equipped with a single EDO hydro-ski[R].[S.l.:s.n.],1955. |
| [7] | VAUGHAN JR V L.The hydrodynamic characteristic of submerged lifting surface having a shape suitable for hydro-ski application[R].[S.l.:s.n.],1959. |
| [8] | MELIS M E.Finite element simulation of a space shuttle solid rocket booster aft skirt splashdown using an arbitrary lagrangian-eulerian approach[R].[S.l.:s.n.],2003. |
| [9] | 贺谦,李元生,李磊,等.基于ALE方法的飞机水面降落过程[J].爆炸与冲击,2010,30(2):125-130. HE Q,LI Y S,LI L,et al.On dynamic structral response on an airplane landing onto water[J].Explosion and Shock Waves,2010,30(2):125-130(in Chinese). |
| Cited By in Cnki (7) | |
| [10] | 刘静.地效飞机入水载荷数值分析[D].南京:南京理工大学,2011:61. LIU J.Numerical analysis about high-speed entry water of wing-in-ground-effect-plane[D].Nanjing:Nanjing University of Science and Technology,2011:61(in Chinese). |
| Cited By in Cnki (3) | |
| [11] | 刘翔.飞机水上迫降的运动特性分析和讨论[D].武汉:武汉理工大学,2012:47. LIU X.Analysis and discussion on hydrodynamic characteristics of aircraft during ditching[D].Wuhan:Wuhan University of Technology,2012:47(in Chinese). |
| Cited By in Cnki (4) | |
| [12] | 罗琳胤,杨仕福,吕继航.水陆两栖飞机着水响应模型与数值分析[J].机械设计,2013,30(8):86-89. LUO L Y,YANG S F,LYU J H.Analysis and numerical simulation of water landing response model for amphibian[J].Journal of Machine Desigin,2013,30(8):86-89(in Chinese). |
| Cited By in Cnki (2) | |
| [13] | 张韬,李书,江翔,等.民用飞机水上迫降分析模型和数值仿真[J].南京航空航天大学学报,2010,42(3):392-394. ZHANG T,LI S,JIANG X,et al.Analysis model and numerical simulation for civil plane ditching[J].Journal of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,2010,42(3):392-394(in Chinese). |
| Cited By in Cnki (12) | |
| [14] | 魏照宇,石秀华,王银涛,等.水下航行器高速斜入水冲击的探索仿真研究[J].西北工业大学学报,2010,28(5):718-723. WEI Z Y,SHI X H,WANG Y T,et al.Explotion high-speed oblique water entry impact of an underwater vehicle[J].Journal of Northwestern Polytechnical University,2010,28(5):718-723(in Chinese). |
| Cited By in Cnki (4) | |
| [15] | 闫明.基于有限体积法的飞机水上迫降[D].武汉:武汉理工大学,2012:54. YAN M.Numerical investigation on aircraft ditching's characteristic of motion by FVM[D].Wuhan:Wuhan University of Technology,2012:54(in Chinese). |
| [16] | 郭保东,屈秋林,刘沛清,等.混合翼身布局客机SAX-40水上迫降力学性能数值研究[J].航空学报,2013,34(11):2443-2451. GUO B D,QU Q L,LIU P Q,et al.Ditching performance of silent aircraft SAX-40 in hybrid wing-body configuration[J].Acta Aeronautica et Astronautica Sinica,2013,34(11):2443-2451(in Chinese). |
| Cited By in Cnki (1) |
