飞行器力学性能设计报告

飞行器力学性能设计报告

目录

第一章 绪论

1.1工程背景及研究意义................................2

1.2国内外研究及发展现状..............................2

第二章 有限元法介绍

2.1有限元基本思想....................................3

2.2有限元法分析步骤..................................3

2.3 ANSYS概述........................................4

第三章 起落架

3.1起落架的分类及其结构形式..........................5

3.2起落架的工作原理..................................5

3.3起落架零件绘制及装配..............................6

3.4起落架力学性能分析及结构优化......................7

第四章 航空发动机涡轮叶片

4.1航空发动机涡轮叶片................................9

4.2航空发动机涡轮叶片零件绘制及装配..................9

4.3航空发动机叶片振动特性与结构强度分析..............10

第五章 总结感悟..........................................12

第一章 绪论

1.1工程背景及研究意义

起落架是飞机实现着功能的主要设备，在地面停放、滑行时起落架是飞机实现着陆功能的主要设备，也是飞机在地面停放、滑行时的支撑装置，起落架的可靠性直接影响到飞行安全。据统计，46%的飞行事故与起落架有关。因而，起落架的设计在飞行安全中占有很重要的地位。起落架是飞机下部用于起飞降落或地面（水面）滑行时支撑飞机并用于地面（水面）移动的附件装置。起落架装置是飞行器重要的具有承力兼操纵性的部件，在飞行器安全起降过程中担负着极其重要的使命。起落架是飞机起飞、着陆、滑跑、地面移动和停放所必需的支持系统，是飞机的主要部件之一，其性能的优劣直接关系到飞机的使用与安全。

涡轮叶片是燃气涡轮发动机中涡轮段的重要组成部件。高速旋转的叶片负责将高温高压的气流吸入燃烧器，以维持发动机的工作。为了能保证在高温高压的极端环境下稳定长时间工作，涡轮叶片往往采用高温合金锻造，并采用不同方式来冷却例如内部气流冷却、边界层冷却、抑或采用保护叶片的热障涂层等方式来保证运转时的可靠性。在蒸汽涡轮发动机和燃气涡轮发动机中，叶片的金属疲劳是发动机故障最主要的原因。强烈的震动或者共振都有可能导致金属疲劳。工程师往往采用摩擦阻尼器来降低这些因素对叶片带来的损害。

1.2国内外研究及发展现状

起落架的收放机构运动复杂，起落架的收放，上、下位锁开锁和上锁，舱门的打开和关闭等均要正确匹配和协调，否则将会发生飞行步放。我国开展了与起落架现代设计技术密切相关的专题研究，并取得了一大批研究成果，其中有些达到世界先进水平，如变油孔双腔缓冲器设计技术，飞机前轮防探技术，飞机地面运动动力学分析技术，长寿命、高可靠性起落架设计及寿命评估技术，起落架结构优化设计技术，起落架收放系统仿真分析技术，起落架主动控制技术等，这些成果部分地应用于型号研制中，并取得了一定效果。但与国外相比，我国的大量研究成果是分散的，孤立的，没有作为模型、算法或程序模块集成于一套系统中，成为设计师的实用工具，更没有在高水平的硬件与软件平台上形成一套先进、实用、高效的起落架专业

CAD/CAE 软件系统，因而我国型号研制基本上仍是完全采用传统模式，费时、费力、耗资。在起落架行业，国外在大力开展起落架理论与专题研究的基础上，发展和推广应用起落架现代设计技术。在与现代设计技术密切相关的起落架专业理论研究方面，国外从六十年代起，已做了大量专题工作。如DAUTI等公司从六、七十年代起对起落架结构进行了大量的实验与理论研究，在此基础上形成了一套行之有效的规范和方法。 航空发动机一直在追求高推重比，并且由于改性超级合金和铸造超级合金难以满足日益增长的温度和性能要求，因此自1970年代以来，开始在国外开发新的超级合金并且具有出色的方向性高温合金，单晶高温合金等具有良好高温性能的新材料；单晶高温合金发展了3代。在1980年代，开发了陶瓷叶片材料，并对叶片应用了耐腐蚀和隔热的涂层技术。叶片是航空发动机不可或缺的一部分，约占机器总产量的三分之一。

飞机发动机叶片很薄，很容易变形。当前，如何高效、高质量地控制变形和过程是叶片制造行业的重要主题之一。随着数控机床的出现，叶片的制造工艺发生了巨大变化，数控叶片加工技术的精度高，制造周期短。当前，Ti6Al4V和Ti6Al2Sn4Zr2Mo等钛合金是用于超塑性成形叶片的最常用的钛合金。旋转零件（例如飞机发动机叶片）使用钛合金作为材料。尽管复合材料的应用正在增加，但是存在诸如高制造成本，不可回收性和高温性能的缺点。钛合金仍是飞机发动机叶片等超小型成型零件的主要材料。

第二章 有限元法介绍

2.1有限元基本思想

有限元方法 (FEM)的基础是变分原理和加权余量法，其基本求解思想是把计算域划分为有限个互不重叠的单元，在每个单元内，选择一些合适的节点作为求解函数的插值点，将微分方程中的变量改写成由各变量或其导数的节点值与所选用的插值函数组成的线性表达式，借助于变分原理或加权余量法，将微分方程离散求解。. 采用不同的权函数和插值函数形式，便构成不同的有限元方法。. 有限元方法最早应用于结构力学，后来随着计算机的发展慢慢用于流体力学的数值模拟。

2.2有限元法分析步骤

1)建立研究对象的近似模型。

在进行数值计算之前，需要建立研究对象的模型。建模过程主要依靠基础实验或者观测的结果，需要大量学科领域知识。在进行有限元分析的时候很难把研究对象的所有细节都 包括进来，有时是因为缺乏实验观测数据，有时是需要缩小计算规模，因此需要对研究对象进行不同程度的简化。通常在研究对象的几何形状、材料特性和边界条件这三个方面做适当的简化。

2)将研究对象分割成有限数量的单元 研究者很难从整体上分析对象系统，需要把对象系统分解成有限数量的、形式相同、相对简单的分区或组成部分，这个过程也被称为离散化。每个分区是一个由基本单元，把空间连续的问题转化成由一些基本单元组成的离散问题。 3)用标准方法对每个单元提出一个近似解 研究者能够比较容易地分析基本单元的行为，提出求解基本单元的方法。提出适用于所有单元的标准求解方法，就可以编制计算机程序求解所有的单元。

4)将所有单元按标准方法组合成一个与原有系统近似的系统 将基本单元组装成一个近似系统，在几何形状和性能特征方面可以近似地代表研究对象。通过分析近似系统，可以了解研究对象的性能特征。找到某种标准的组装方法，就可以 用计算机程序组装数目巨大的单元。

5)用数值方法求解这个近似系统。 采用离散化之后，就不需要再求解复杂的偏微分方程组，而转换为求解线性方程组。数学家提出了许多求解大规模线性方程组的数值算法。

6)计算结果处理与结果验证

2.3 ANSYS概述

ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）软件，是世界范围内增长最快的计算机辅助工程（CAE）软件，能与多数计算机辅助设计（CAD，computer Aided design）软件接口，实现数据的共享和交换，如Creo, NASTRAN、Algor、I－DEAS、AutoCAD等。是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。在核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等领域有着广泛的应用。

ANSYS软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。

第三章 起落架

3.1起落架的分类及其结构形式

根据承受和传递载荷的方式，即结构受力形式，可将起落架分为桁架式、梁架式和混合式三种形式。

起落架的结构形式分为： 1）前三点式。现代飞机上使用最广泛的是前三点式起落架。两个主轮保持一定间距左右对称地布置在飞机质心稍后处，前轮布置在飞机头部的下方。飞机在地面滑行和停放时，机身地板基本处于水平位置，便于旅客登机和货物装卸。

2）后三点式。早期在螺旋桨飞机上广泛采用后三点式起落架。其特点是两个主轮（主起落架）布置在飞机的质心之前并靠近质心，尾轮（尾支撑）远离质心布置在飞机的尾部。

在停机状态时，飞机90%的质量落在主起落架上，其余的10%由尾支撑来分担。后三点起落架重量比前三点轻，但是地面转弯不够灵活，现代飞机已很少采用。

3）自行车式。还有一种用得不多的自行车式起落架，它的前轮和主轮前后布置在飞机对称面内（即在机身下部），重心距前轮与主轮几乎相等。为防止转弯时倾倒，在机翼下还布置有辅助小轮。这种布置型式由于起飞时抬头困难而较少采用。

4）多支点式。这种起落架的布置形式与前三点式起落架类似，飞机的重心在主起落架之前，但其有多个主起落架支柱，一般用于大型飞机上。如美国的波音747客机、C-5A(军用运输机（起飞质量均在350吨以上)以及苏联的伊尔86客机(起飞质量206吨)。采用多支点式可以使局部载荷减小，有利于受力结构布置；还能够减小机轮体积，从而减小起落架的收放空间。

3.2起落架的工作原理

飞机起落架上的减震支柱的工作原理：当减震器受撞击压缩时，空气的作用相当于弹簧，贮存能量。而油液以极高的速度穿过小孔，吸收大量撞击能量，把它们转变为热能，使飞机撞击后很快平稳下来，不致颠簸不止。

飞机上应用最广的是油液空气减震器，作用：飞机在着陆接地瞬间或在不平的跑道上高速滑跑时，与地面发生剧烈的撞击，除充气轮胎可起小部分缓冲作用外，大部分撞击能量要靠减震器吸收。

收放系统一般以液压作为正常收放动力源，以冷气、电力作为备用动力源。一般前起落架向前收入前机身，而某些重型运输机的前起落架是侧向收起的。主起落架收放形式大致可分为沿翼展方向收放和翼弦方向收放两种。收放位置锁用来把起落架锁定在收上和放下位置，以防止起落架在飞行中自动放下和受到撞击时自动收起。对于收放系统，一般都有位置指示和警告系统。

3.3起落架零件绘制及装配

以简单支柱套筒式起落架为对象进行分析和优化，该类起落架主要构件是减震支柱、扭力臂、机轮、收放作动筒。支柱与机身的连接形式为：支柱上端与飞机机身结构刚性连接，在其下端固定机轮，没斜撑杆，支柱不可能收放。在支柱上端收放转轴附近装有第二支点，下端为机轮。