第２２卷第６期 ２０１３年１２月 计算机辅助工程 Ｃｏｍｐｕｔｅｒ’Ａｉｄｅｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖｏ１．２２ Ｎｏ．６ Ｄｅｃ．２０１３ 文章编号：１００６—０８７１（２０１３）０６—００５１．０４ 民用飞机水上迫降数值模拟分析 徐文岷， 李凯， 黄勇 （中国商飞上海飞机设计研究院强度设计研究部，上海２０１２１０） 摘要：针对民用飞机水上迫降撞击压力问题缺乏合适的理论分析方法的问题，基于Ｄｙｔｒａｎ考虑水一 空气两相流体与飞机结构之间的相互耦合作用，通过一般耦合算法实现流固耦合计算；对民用飞机 水上迫降过程中机身底部着水压力载荷和着水过程中的飞机俯仰角进行有效数值模拟与水上迫降 载荷处理．飞机结构入水时压力在初期达到峰值，然后衰减，在峰值过后会出现小幅波动． 关键词：水上迫降；流固耦合；俯仰角；载荷；数值仿真；Ｄｙｔｒａｎ 中图分类号：Ｖ２１５．２；ＴＢ１１５．１ 文献标志码：Ｂ ＂Ｎｉｕｍｅｒｉｃａ ｓｉｍｕ ＂ｒａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｎａｌａｎａｌｙｓｉｓ ０ｎ ｃｉｖｉｌ ｏｎ ＂４１ ａｉｒｃｒａｆｔ ｄｉｔｃｈｉｎｇ ａｉｒｃｒａｔｔ ｄｉｔｃｈｉｎＲ￣．ＸＵ Ｗｅｎｍｉｎ ＬＩ Ｋａｉ， ＨＵＡＮＧ Ｙｏｎｇ ，（Ｓｔｒｅｓｓ Ｄｅｓｉｇｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，ＣＯＭＡＣ Ｓｈａｎｇｈａｉ Ａｉｒｃｒａｆｔ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１２１０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｅｃａｕｓｅ ｔｈｅｒｅ ｉｓ ｎｏ ｒａｔｉｏｎａｌ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｉｔｃｈｉｎｇ ｉｍｐａｃｔ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｌｏａｄ ｏｆ ｃｉｖｉｌ ａｉｒｃｒａｆｔ，ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｄｙｔｒａｎ，ｔｈｅ ｆｌｕｉｄ—ｓｏｌｉｄ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｉｓ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｌ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｉｎｔＩｅｒａｃｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｗａｔｅｒ—ａｉｒ ｂｉｐｈａｓｉｃ ｆｌｕｉｄ ａｎｄ ａｉｒｃｒａｆｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｔｈｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｔ ｔｈｅ ｂｏｔｔｏｍ ｏｆ ｃｉｖｉｌ ａｉｒｃｒａｆｔ ａｎｄ ｐｉｔｃｈ ａｎｇｌｅ ｄｕｒｉｎｇ ｄｉｔｃｈｉｎｇ ａｒｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌｌｙ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｉｔｃｈｉｎｇ ｌｏａｄ ｉｓ ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｆ ａｉｒｃｒａｆｔ ｄｕｒｉｎｇ ｌａｎｄｉｎｇ ｉｎ ｗａｔｅｒ ｒｅａｃｈｅｓ ｍａｘｉｍｕｍ ｖａｌｕｅ ａｔ ｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｌ ｓｔａｇｅ ａｎｄ ｔｈｅｎ ｂｅｇｉｎｓ ｔｏ ｄｅｃｒｅａｓｅ．ａｎｄ ｉｔ ｆｌｕｃｔｕａｔｅｓ ｓｌｉｇｈｔｌｙ ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｐｅａｋ ｖａｌｕｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｉｔｃｈｉｎｇ；ｆｌｕｉｄ・ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ；ｐｉｔｃｈ ａｎｇｌｅ；ｌｏａｄ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；Ｄｙｔｒａｎ ０ 引 言 民用飞机进行延伸跨水域飞行（距离海岸线５（） 的影响． 水上迫降本质上是入水冲击问题，早期以试验 研究为主，但是试验模型设计和制造复杂、周期较 长．进入２０世纪９０年代后，在积累大量试验结果的 ｎ ｍｉｌｅ）必须申请水上迫降型号合格审定．我国民用 飞机适航条例ＣＣＡＲ．２５ Ｒ４…也对水上迫降做出明 确规定：跨水域飞行的飞机应按ＣＣＡＲ．２５．Ｒ４中的 基础上，水上迫降问题以数值模拟分析为主．本文采 用商用有限元分析软件Ｄｙｔｒａｎ，考虑水一空气两相流 水上迫降条款进行合格审定．在水上迫降过程中，飞 机结构的完整性和受损伤程度直接影响飞机的漂浮 体与飞机结构之间的相互耦合作用，对民用飞机水 上迫降进行数值模拟计算，分析水上迫降过程中飞 机的俯仰角、机体底部着水压力载荷的变化规律和 机身着水底部局部压力载荷等． 时间，因此在飞机研制阶段应对飞机水上迫降载荷 进行预估，以便在结构设计阶段考虑水上迫降载荷 收稿日期：２０１３—０６．１４修回日期：２０１３．１０．１４ 作者简介：徐文岷（１９８０一），男，辽宁大连人，工程师，硕士，研究方向为水上迫降试验及数值模拟分析，（Ｅ．ｍａｉｌ）ｘｕｗｅｎｍｉｎ＠ｃｏｍａｃ．ｃｃ ５２ 计算机辅助Ｘ－程 ２０１３丘 ｌ 流固耦合方法 用拉格朗日有限元法求解飞机有限元模型；流 体（空气和水体）用欧拉有限体积法求解． ２＿ １．１拉格朗日有限元法 式中：Ｐ为密度；“为速度；ｅ，为单位质量的总能量， 等于单位质量的内能加上动能；Ｔ为作用于边界上 单位面积的面力． ２有限元模型简介 水上迫降数值模拟计算 机有限元模型采用南 （１） 式时间积分法运动微分方程为 Ｍａ， ＋Ｃｖ， ＋Ｋｄ，，＝Ｆ 二维壳单元组成的拉格朗日有限单元，壳单元主要 选取四节点四边形板壳元和少量 节点 角形板壳 式中：Ｆ： 为外载荷矢量；Ｃｖ， ＋Ｋｄ 为内力矢量；Ｍ 为质量矩阵；ｎ 为加速度；Ｃ为阻尼矩阵； 为速 元，空气和水体采用六面体欧拉单元，通过设置耦合 面来实现拉格朗日单元与欧托单元之『日Ｊ物理量的传 递．飞机壳单元赋予刚体材料（ＭＡＴＲＩＧ）属性，通过 刚体属性参数卡片设置飞机有限元模型的质量、重 心、惯性矩和惯性积，并通过卡片ＭＡＴＲＩＧ定义飞 机有限元模型的水平速度与下沉速度，通过执行卡 片对飞机有限元模型施加重力场；通过状态方程对 空气和水体施加初始条件．有限元模型见冈１． 空气 飞机有限元模型 度； 为刚度矩阵；ｄ， 为位移． １．２低阶欧拉算法 流体流动问题和固体材料发生很大变形的情况 主要使用欧拉方法．采用欧拉方法时，节点固定在空 间中，空间则由相关节点连接而成的单元划分．分析 对象的材料在网格中流动．将控制方程在流场中任 意封闭曲面所包含的容积内进行积分，得到积分形 式的流体的质量、动量和能量控制方程． 质量控制方程 杀』』ｐｄ 一Ｊｊｐｕ。ｄＳ 动量控制方程 （２） ） 水体 图ｌ 基于Ｄｙｔｒａｎ的飞机硬流体有限元模型 嚣 ｐ ＝一 洲‘ ＋ ｓ 能量控制方程 水体有限元模型采用六面体网格在村ｌ身底部 ，可能耦合的地方和水一空气交界的地方进行局部网 击 叫 一 ｅ， ＋ 一ｃ４ 篓 耄 衮 ＜０（拉伸状态） ’ ｒ Ｐ ｉｎ ＋（６ ＋６， ）ｐ（】ｅ 量，（ｚ ＝２．２ ＧＰａ． ｆ。ｌ ＋ｎ２ ＋。３ ＋（ｂ（）＋ｂｌ ）ｐ０ｅ ／ｚ＞０（压缩状态） 式中：ｐ为压力；ｅ为单位质量内能； ＝ＪＤ ／ｐ。一ｌ；ｐ。 为水的密度；ｐ 为参考密度；ｎ 为水的体积弹性模 采用可压缩理想气体本构关系的材料定义空 气，空气域内的压力用 律状态方程模型定义气体 的状态方程，其中压力是密度、比内能和理想气体比 热比 的函数 。Ｊ， Ｐ＝（ 一１）ｐｅ ３ 飞机构型数据和有限元边界条件 影响飞机水上迫降过程载荷的飞机构型参数主 要包括质量特性和襟缝翼构型等，有限元边界条件 主要包括飞机着水姿态、入水速度和水面状态等． ３．１飞机构型数据 （１）质量特性．存数值模拟计算时，设置起落架 为收起状态，采用标准航程最大着陆质量对应的重 心状态进行分析计算．（２）襟缝翼构型．根据模型试 式中：Ｐ为空气总体材料的密度，在标准状态下Ｐ＝ １．０８ ｋｇ／ｍ ； 为空气比热比，在标准状态下 ＝ ｃ．，／ｃ ＝１．４；ｅ为空气单位质量的比内能，在标准状 忿下ｅ＝２ｌｌ ４０１ Ｊ／ｋｇ。Ｄｙｔｒａｎ的欧拉自由面部分边 界条件设置采用刚性墙边界方式．欧拉相交面部分 的边界通过节点相容设置为共用节点．拉格朗日部 验结果和文献『３］，襟缝翼设置为全开位置． ３．２有限元边界条件 （１）着水姿态：根据文献［４］，选择１２。作为水上 迫降的初始俯仰角．（２）入水速度：水平速度选取６３ 分和欧拉部分的边界由耦合面定义．流固耦合采用 一ｍ／ｓ；根据文献［５］，下沉速度选取１．５２４ ｍ／ｓ．（３）水 面状态：静水水面状态． 般耦合边界条件且采用快速耦合方法． ５４ 计算机辅助工程 ２０１３丘 度、角加速度和压力分布云图计算得到机身着水底 部均布压力，供机身站位载荷计算使用；参考 ＣＣＡＲ－２５．５３３水上飞机局部压力的横向分布关系， 根据 力分布云图得到翼身整流罩着水底部压力横 ４．５．２机身着水底部局部压力栽荷 根据水上迫降数值模拟计算的机身底部压力分 布云 ，绘制压力载荷沿机身航向的分布，见网８． 翼身整流罩横向分布参考ＣＣＡＲ．２５．５３３水上飞机 局部压力的横向分布，机身对称面上压力载荷因数 为１．０，侧边压力载荷冈数为０．７５．机身其他站位局 部压力载荷横向分布呈三角分布． 向分布，进一步得到机身着水底部局部压力，供机身 着水底部结构的强度校核使用． ４．５数值模拟计算结果分析 ４．５．１机身惯性载荷因数 根据数值模拟计算的角加速度计算机身头部和 尾部的加速度值，对机身各站位处进行线性插值，得 到不同站位处因飞机抬头或低头产生的加速度，同 时和机身重心站位处的加速度值进行叠加，获得飞机 图８ 着水底部对称面上局部压力载荷航向分布 Ｆｉｇ．８ Ｌｏｃａｌ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｌｏａｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｔ ｓｙｍｍｅｔｒｙ ｐｌａｎｅ ｔ ａｉｒｃｒａｆｔ ｂｏｔｔｏｍ ｉｎ ｈｅａｄｉｎｇ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ 在水上迫降过程中机身垂向加速度值．根据计算的加 速度值绘制曲线，得到水上迫降过载包线，见罔７． ——水上迫降包线 ５ 结束语 建立飞机水上迫降和流体的有限元模型，采用 托格朗日和欧拉算法计算分析飞机水上迫降过程． 对于翼吊发动机飞机，在水上迫降过程中飞机先低 头后抬头，飞机着水压力载荷在飞机着水初期达到 峰值后再衰减，然后由于飞机尾部产生负压使飞机 再次抬头后低头，机身底部着水压力载荷再次出现 较小的峰值，然后逐渐平稳．本文的数据仅采用商用 图７ 水上迫降过载包线 Ｆｉｇ．７ Ｄｉｔｅｈｉｎｇ ｏｖｅｒｌ（）ａｄ ｅｎｖｅｌｏｐｅ ｌｉｎｅｓ 有限元软件Ｄｙｔｒａｎ计算分析得到，需要通过试验验 证其准确性． 参考文献： ［Ｉ］ 中国民用航空局．ＣＣＡＲ一２５一Ｒ４运输类飞机适航标；隹［Ｓ］ ［２］ 卞文杰，万力，吴莘馨．瞬态动力学ＣＡＥ解决方案Ｄｙｔｒａｎ基础教程［Ｍ］．北京：北京大学出版社，２００４：１—１５． ［３］ 李斌，杨智春．大型运输机水上迫降研究进展［Ｃ］／／中国航空学会２００７年学术年会，２００７ ｆ４］ 钟恢扬．ＢＯＩＮＧ－７３７飞机水上迫降推荐程序［Ｃｊ／／航空航天工业部民用飞机适航技术研究课题组．适航技术资料汇编：第二集：水上迫 降译文集．１９９１：２９９． ［５ｊ ｌ Ａ ＦＥＩ Ａ Ａ，ＧＲＥＥＮＷＯＯＤ Ｒ Ｐ．Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｗａｒｅ！ｉｍｐａ￣ ｔ ａｎｄ ｄｉｔｃｈｉｎｇ ｐｅｒｌｂ￣ｎｌａｎｅｅ，Ｉ）０Ｔ／ ＡＡ／ＡＲ－９５／５４［Ｒ］．ＵＳＡ：Ｆｅｔｌｅｒａｌ Ａｖｉａｔｉｏｎ Ａｄｍｉｎｉｓ！ｒａｔｉｏｎ，１ ９９６． ［６】 黄勇，李凯，徐文岷．民用飞机水上迫降着水载荷预测方法研究［Ｃ１／／第十届全国振动理论及应用学术会议论文集（２０１１）：下册， ２０１】：１１３８．１１４７． （编辑武晓英）