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舰载机拦阻钩索滑摆动载荷特性研究何康乐; 杨媚; 孙仁俊; 金鑫【期刊名称】《《力学与实践》》【年(卷),期】2019(041)005【总页数】4页(P550-553)【关键词】舰载机; 拦阻钩; 滑摆运动; 侧向动载荷; 振动频率【作者】何康乐; 杨媚; 孙仁俊; 金鑫【作者单位】航空工业第一飞机设计研究院强度设计研究所西安 710086; 中国飞行试验研究院飞机所西安 710086【正文语种】中文【中图分类】V226舰载飞机尾部设置拦阻钩的主要作用是在飞机顺利进场后钩住拦阻索，使高速运动的飞机实现短距制动[1-2]。
在挂索后，拦阻钩在各方向产生对飞机的拦阻载荷[3]。
在舰载飞机偏心偏航着舰时，拦阻钩会产生沿拦阻索侧向滑摆的运动。
GJB67.4A-2008中对有侧向载荷的拦阻滑行进行了规范说明：侧向载荷等于飞机的重量，并应与超过飞机重量2.0倍的拦阻钩作用力的向后水平分量一起作用，侧向载荷应向右、向左交替作用[4]。
国外针对飞机拦阻的实验研究已有几十年的历史[5-8]，由于保密的原因，公开文献十分有限。
国内近年来主要是对飞机对称面内的拦阻钩动力响应进行研究[9-10]；在飞机非对称着舰时的拦阻钩运动情况方面，张鑫等[11]、彭一明等[12]对飞机在偏心拦阻时钩索的动力学响应进行了分析，而专门针对拦阻钩沿索侧向摆振对机体载荷影响的研究目前还没有看到公开发表的文献。
在工程设计中，侧向载荷若作为静载荷来使用，产生的过大偏航矩将是翼身连接区的严重载荷情况，该载荷情况保守且不合理。
考虑到拦阻钩沿索滑摆具有左右交替的高频特性，故本文以动载荷角度为切入点，研究不同频率下的侧向动载荷在机身各个剖面的载荷传递特性，以此为机体结构刚度、钩头减摆等性能优化提供参考。
1 仿真模型及方法1.1 拦阻钩滑摆载荷研究拦阻钩沿索侧摆动载荷的特性，其原理就是在拦阻钩钩头处施加分析所需的一定量级的载荷，通过载荷传递至机体，来分析机体的应力水平。
第27卷 第8期计 算 机 仿 真2010年8月 文章编号:1006-9348(2010)08-0028-05飞机偏心拦阻过程动力学分析与仿真于立明1,韩 庆1,李启明2(1.西北工业大学航空学院,陕西西安710072;2.上海飞机设计研究所,上海200232)摘要:针对飞机拦阻时,由于拦阻钩两侧拦阻索的非对称性及甲板两端滑轮的限制,常规波动力学方法求解的结果与实测值不符合。
为解决上述问题,以更准确描述拦阻时的拦阻索的应力应变状态,在拦阻边界条件下,对横波传播路径进行了合理假设,确定了横波的传播路径及弯折角求解模型,并考虑了其它工程研究中未涉及的纵波反射问题,进而建立了基于应力波的偏心拦阻动力学精确模型,并在M ATLAB平台进行了计算机仿真。
仿真结果表明与实测符合,为飞机拦阻以及拦阻钩、航母设计提供有益的参考。
关键词:拦阻;飞机;应力波;钩载;拦阻机中图分类号:V215 2 文献标识码:AD yna m i cs Anal ysis and Simulationof A ircraft O ff-Center Arrested Landi ngYU L i-m ing1,H an Q ing1,LI Q i-m i n g2(1.Schoo l of A eronauti cs,N orth w estern P olytechn i ca lU n i versity,X i an Shanx i710072,Ch i na;2.Shangha iA ircraft D esign and R esearch Institute,Shangha i200232,Ch i na)AB STRACT:Dur i ng ca rr i e r a ircraft arrested-lands on the runway,o ff-center a rrested l and i ng m ay occurs,whichres u lts from S-w ave path wh ich nor m a lw ave dyna m i cs descr i psi on can notm atch act ua l test result very w e ll becauseo f arresting cable s non-symm etry and restr i ction o f pull eys on bo t h si des of the runway.i n order to descr i be stress-strain sta te o f t he arrested cable m ore accura tely,t h i s paper m akes reasonab l e hypothes i s based on arrested runw ay-l and i ng boundary conditions,t hen establis hes S-w ave path and ki nk ang l e so l v i ng modes and cons i ders P-w avepath that other eng i nee ri ng research has not cons i de red,and then a off-center arrested land i ng dyna m ic ana l ysism ode l based on stress wave is bu ilt.S i m u lati on i s m ade w it h M ATLA B at last,and its resu lts can supply beneficia lreferences for desi gns o f carr i er a irc ra ft,arresti ng hook and a ircra ft carr i er.K EYWORDS:A rrested landi ng;A ircraft;Stress w ave;H ook l oad;A rresting gear1 引言根据规定[1],飞机拦阻偏心距离不超过拦阻钢索长度的20%,否则将对飞机和飞行员的安全构成极大威胁,而横波的传播路径与纵波的反射直接影响动力学求解结果,因此有必要对拦阻索中纵波和横波的传播进行准确建模,以评估飞机和拦阻机之间的相容性。
飞机道面拦阻系统的研究飞行跑道是机场最重要的基础设施，飞机在跑道上的运行安全，历来是机场安全管理和技术研究所关注的重点，而跑道端部安全更是机场安全的焦点。
如何减少飞机冲出跑道的危险发生，进而减少对飞机的损伤、保障机组人员和乘客的生命安全，已成为近年来机场安全技术研究的热点。
道面拦阻系统（EMAS）主要通飞机轮胎压碎拦阻材料来制动飞机，从而使飞机减速停止，用来保护冲出跑道的飞机。
一、道面拦阻材料特性飞机经过道面拦阻系统时，将拦阻道面压碎，被压碎的拦阻材料吸收了飞机的动能，从而将飞机拦停。
拦阻材料对飞机能量的吸收应与材料被压碎的体积成比例关系，如图一所示。
分析一种材料是否适宜用做道面拦阻材料，需要注意两个重要因素：其一，机轮压力的精确校准。
机轮压力过大，会增加起落架负担，严重时可能会使起落架结构遭受损伤；机轮压力过小，会降低材料的拦阻性能，从而影响拦阻面对飞机的拦阻。
应根据飞机和起落架的动态响应来求得机轮压力。
其二，材料的最大压缩比。
压缩比用来确定整个拦阻过程中能量的吸收值。
（一）道面拦阻系统的力学特性飞机冲出跑道后进入拦阻道面内，前、主起落架将同时承受垂直荷载和拖力负载。
飞机在设计时主要考虑由主起落架提供拖力负载，而前起落架不参与刹车过程，因此前起落架的结构强度要小于主起落架，但拦阻系统在对飞机进行拦截时会同时给前、主起落架施加阻力，因此设计飞机道面拦阻系统时必须严格控制拦阻材料的压碎强度，以保证不损伤飞机起落架。
道面拦阻系统的力学特性主要与五种因素有关：即飞机冲出跑道的速度、压入拦阻材料的深度、机轮压力、起落架构型及前、主起落架支柱的强度。
（二）材料要求由于处于露天工作环境，道面拦阻材料遭受风吹日晒、雨雪冰冻等各种自然因素的作用。
为确保其性能可靠，拦阻材料应具有以下特性：1.易碎性。
当材料的表面压力超过其设计荷载时，材料即被压碎。
EMAS 的设计原理是通过制动飞机起落架机轮，从而达到拦阻飞机的目的。
飞行器结构的强度与韧性分析飞行器一直是人们心目中最具魅力的机器之一，随着航空技术的不断发展，各种类型的飞机、直升机和无人机越来越普及。
在飞行器的设计和制造过程中，强度和韧性是两个非常重要的考虑因素。
一、强度分析强度是指飞行器结构抵抗外力和振动的能力，也就是承受负荷的能力。
为了保证飞行器在飞行过程中不出现结构破坏和失效，飞行器的设计者必须对其各个部分进行强度分析，以便确定其材料和构造是否足够坚固。
强度分析主要通过载荷分析和应力分析进行。
载荷分析是指确定各个部位所受的外力和内力，包括飞行过程中的重力、气动力、惯性力等等。
通过计算这些力的大小和作用方向，就可以确定飞行器的承载能力。
应力分析则是通过计算载荷产生的应力分布，确定各个部位的应力状态，以评估其材料的承载能力。
同时还需要根据材料的弹性模量、屈服强度和破断强度来进行强度的评估。
二、韧性分析与强度分析不同，韧性分析是指材料在受到载荷时的塑性变形能力，也就是其抗破坏性能。
在飞行器的设计和制造过程中，不仅需要考虑其抗强度的能力，还需要考虑其在受到外力作用时是否会出现裂纹、断裂等形变现象。
这就需要对飞行器的结构进行韧性分析，以确保其在各种载荷条件下都能正常运行。
韧性分析主要有断裂韧性和冲击韧性两种。
断裂韧性是指材料在受到外力时，能承受塑性变形、钝化影响和裂纹扩展等损伤，使得材料的失效和破坏变得更为困难。
而冲击韧性则是指在受到高速冲击时，材料的抵抗能力。
通俗地说，就是材料抵御极端情况的能力。
钢材等材料都有良好的韧性，因此在制造飞行器的过程中，这些材料得到了广泛应用。
三、结构强度与韧性的综合应用结构强度和韧性都是飞行器设计中不可或缺的要素，两者必须相互平衡，才能保证整个结构的完整性和安全性。
在实际的飞行器设计中，一方面需要考虑结构的承载能力和耐久性，另一方面还需要考虑其在受到外部干扰和异常状态下的韧性表现。
强度过高容易导致重量增加和结构刚性升高，而在飞行过程中发生跌落、摆动等异常情况时，强度过低将会导致结构失效，从而导致飞行器的损坏。
舰载战斗机拦阻钩系统总体参数分析
刘欣;王斯怡
【期刊名称】《飞机设计》
【年(卷),期】2011(31)4
【摘要】从舰载飞机拦阻钩系统着舰布局图中进场着舰的物理图像出发,根据飞行力学的基本原理,对等角下滑技术的关键参数,包括飞机质量、推荐的下滑道设置、下滑航迹角、基准迎角、进场着舰速度和航空母舰运动速度、回收逆风、钩眼距(H/E)等参数对进舰着舰的影响及其相互关系进行了分析。
【总页数】5页(P12-16)
【关键词】舰载战斗机;拦阻钩系统;总体参数设计
【作者】刘欣;王斯怡
【作者单位】沈阳飞机设计研究所;上海飞机设计研究院
【正文语种】中文
【中图分类】V243.1
【相关文献】
1.舰载机-拦阻器耦合系统动力学建模与仿真分析 [J], 刘成玉;王斌团
2.第四代战斗机武器火控系统总体技术分析 [J], 张红;李锋
3.舰载飞机着舰时拦阻钩碰撞反弹动力学分析 [J], 彭一明;聂宏
4.计算机辅助飞机设计（CAAD）（二）：飞机总体参数优化设计分析系统 [J], 胡新如;王和平
5.结构参数对拦阻钩碰撞反弹动力学影响分析 [J], 彭一明;张钊;魏小辉;聂宏;谢朋朋
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第1卷第4期2010年11月航空工程进展ADVANCES IN AERONAU TICAL SCIENCE AND ENGINEERING Vol 1No 4Nov 2010收稿日期:2010 10 26; 修回日期:2010 11 08基金项目:国家自然科学基金(51075203)通信作者:张卓坤,zzk.lbx@文章编号:1674 8190(2010)04 327 06飞机着舰偏心偏航拦阻动力学分析张卓坤,聂宏,于浩,万峻麟(南京航空航天大学飞行器先进设计技术国防重点学科实验室,南京 210016)摘 要:以某型航母液压拦阻系统为基础,阐述舰载机着舰拦阻过程。
通过在拦阻索平面内对拦阻索受力状况的分析,得出舰载机着舰拦阻位移与拦阻索伸长量之间的关系,进而分别得到左右拦阻索的拉力,推导出偏心偏航拦阻力模型。
根据得到的拦阻力,建立舰载机偏心偏航着舰拦阻动力学模型,并进行算例分析。
研究结果表明:与对中拦阻相比,偏心偏航拦阻增大了舰载机拦阻距离和拦停时间,减小了拦阻力的峰值,同时由于航母甲板宽度的限制,偏航应尤为注意。
关键词:舰载飞机;拦阻索;偏心;偏航;液压系统;拦阻力中图分类号:V 226 文献标识码:ADynamics Analysis for Aircraft Arresting with Yawing and Off centerZhang Zhuokun,Nie Ho ng ,Y u Hao ,Wan Junlin(Key Laboratory of Fun damental S cien ce for National Defens e advanced Des ign Technology of Flight Veh icles,Nan jing University of Aeronautics and As tron autics,Nanjin g,210016,China)Abstract :Based on a cer tain car rier hy dr aulic pr essure arr esting sy st em,t he arr est ing pr ocess was described.Bythe investig atio n o f the lo ading conditio n in cable plane,the function relation betw een aircraft s displacement and cable s displacement was established,then the left cable tension w as fo und,and also the rig ht one.Nex t,the ar resting fo rce mo del w ith yaw ing and off center was built.Accor ding to the ar resting fo rce,a dynamics mo del of ar resting sy stem was built,and analyzed on some ex amples.T he r esults indicate that arr est ing with y awing and off center can incr ease t he distance and t ime of arr est ing ,and it can reduce the max imum ar resting fo rce.It sho uld be paid mo re attent ion to the ar resting w ith y awing because of the limit of w idt h of carr ier deck.Key words:car rier based a ircr aft;ar resting cable;off cent er;y aw;hydraulic pr essure system;arr esting for ce0 引言舰载飞机着舰后,为了使高速飞行的飞机在限定的甲板长度内顺利着舰,各国均采用了飞机拦阻装置,而拦阻过程飞机的受力状态以及飞机的姿态变化比较复杂。
飞机拦阻钩的设计及其强度分析柳刚(南京航空航天大学 航空宇航学院，江苏 南京 210016)Email：liugang_1979@摘 要：介绍了飞机在地面或是舰载回收拦阻时拦阻钩的的工作原理和设计要求，并设计出某型拦阻钩基本组成部分，并对在此拦阻钩下最大轴向载荷下进行有限元强度分析。
本文为将来拦阻钩的更详细的设计提供一定的参考,对以后拦阻装置的设计提供一定的规范。
关键词：拦阻钩；有限元；拦阻；CATIA引言拦阻钩与地面拦阻装置配合使用，能利用拦阻装置事先预置的拦阻载荷，在数十米或是数百米长度内拦停飞机。
这是机上任何一种刹车装置都无法达到的制动效果。
由于舰载飞机和路基飞机的拦阻要求不同，拦阻装置也略有不同。
舰载拦阻装置。
现代航母一般都是装配定长拦阻长度的拦阻装置。
该拦阻装置的拦阻划跑距离标明了拦阻装置的特性，只要被拦阻的飞机在拦阻装置设计范围内，无须考虑被拦飞机的拦套重量和拦阻速度的不同。
路基拦阻装置。
舰载飞机要能在各种类型的路基拦阻装置上使用，其中包括冲出跑道或中止起飞和野外短机场着陆的应急拦阻，该拦阻装置要求机场盖板有一定的宽度范围，但没有固定的拦阻滑出长度。
通常，用于舰载型拦阻的拦阻钩，一定适用于路基拦阻装置[1] [4]。
下图为一实物拦阻钩。
图1 实物F-18拦阻钩1 拦阻钩的工作原理和设计要求工作原理：拦阻钩一般装置于后机身腹部中央。
当着陆时由飞行员在飞机座舱仪表板上按下释放拦阻钩按钮，拦阻钩在很短时间(如2秒)内放下，之后由纵向缓冲器压紧在道面上，使拦阻钩能很好的钩住拦阻绳。
随后带动拦阻机工作，在规定的距离或是时间范围内耗散掉飞机的动能，从而使飞机很快停下来[1] [4]。
设计要求：作为初步设计，本文仅考虑最基本的设计要求，其主要组成部分为钩臂和钩头。
1.1 拦阻钩长度要求主要有：（1）甲板索的数量、跨度和高度；（2）为了减轻重量和使钩旋转速度最小，使用短钩的可能性；（3）飞机在接近停车状态的操纵特性；（4）飞机拦阻钩与甲板初始接触的常见姿态；（5）拦阻-1-钩相对飞机机轮位置；（6）拦阻钩缓冲器和压紧装置的作用效率[1]。
1.2 拦阻钩钩头的设计要求主要有：（1）拦套与逃逸特性的折衷设计。
拦阻钩设计，应使得钩子在钩住一条绳索后尽可能不再钩住第二条绳索，或者在拦阻几何关系中保证不会出现上述第二条绳索干扰现象。
（2）钩面角对套钩、脱钩性能的影响。
最优钩面角选择需要兼顾飞机成功拦套不脱钩，以及拦阻滑跑结束时能顺利脱钩两方面的性能。
（3）钩面与钩尖、钩面与拦索槽外形过渡设计。
钩面和拦索槽的过渡区曲率半径尽可能大，使上钩时甲板绳索缠住钩头时引起的弯曲应力尽可能小。
（4）钩面角选择。
最优的钩面角选择需兼顾飞机成功拦套不脱钩和拦阻滑跑结束后能顺利脱钩两方面性能，（5）钩尖半径、钩喉半径的选择。
小的钩尖很容易钩起甲板绳索，特别是甲板绳索受机轮压过，但过分小的钩尖半径会划伤绳索。
（6）钩头重量。
拦阻钩头重量的增加，会导致钩反跳的加剧以及相应拦阻缓冲器保持压力的增加，因此钩头和钩臂应设计的尽可能小[1] [4]。
1.3 钩头与钩臂的连接由于钩头在使用中经常受严重磨损，需做不定期更换，因此要求拦阻钩的钩头应是可拆卸的。
钩头在钩臂上的连接采用螺栓或是销子连接。
连接轴线应处于与钩臂相垂直的平面内且与着陆表面平行。
钩头在钩臂上连接，应考虑钩载的传递是通过钩头与钩臂之间的结构，而不是通过连接螺栓[1]。
2. 拦阻钩的建模本文是论证性的对拦阻钩进行设计，采用CATIA建模，参考国外同类型飞机的所用钩（F-14A）[1] [2]：2.1 拦阻钩头的设计钩尖半径定为14mm，钩喉半径设计为适用于直径为35mm的拦索[1]。
理想情况下钩尖半径等于缆索半径，但难以做到，钩头喉道接触半径应足够大，正常情况下甲板绳索直径达38mm，最小25.4mm，现在美国海军已不使用38-42mm直径的绳索。
图2、3，4所示的是建模完成后的拦阻钩钩头。
应当注意在拦阻钩头设计中。
1）钩喉相对绳索不能太大，小直径绳索有可能被压扁在沟槽内。
钩喉处绳索槽边倒圆，减少甲板绳索的损伤，钩喉应该有较大的圆弧过渡区，不至于划伤拦阻绳索。
2）在钩头钩尖处应尽可能大地加大圆角、去掉尖角，减小甲板的磨损。
3）为了减轻重量将对于钩头进行一定的挖空[1]。
2.2 拦阻钩臂的设计对于此类飞机，选钩臂长为2.3m，截面为环形，材料为超高强度300M钢。
如上1.3所讲，钩头与钩臂之间连接，考虑到力的传递，应该是他们之间结构上的连接，而不是连接螺栓。
在设计中钩头顶部挖空，图2 拦阻钩钩头左视图 图3拦阻钩钩头顶视图图4拦阻钩钩头后视图 图5拦阻钩钩臂既能减轻重量，又能很好的与钩臂在结构上相连接。
拦阻钩头突出部分插入钩头顶部可以在结构上传递载荷。
螺栓只起到固定连接作用，而拦阻钩钩臂上的突起在拦阻钩钩起拦阻绳索，将绳索所传递的力由钩头经过钩臂突起传到机身上，这样加强了拦阻钩的强度。
2.3 拦阻钩的装配在CATIA下把拦阻钩的基本组成部分组装起来，并进行干涉检查。
组装图如下：干涉检查图如下：拦阻钩各部件之间没有任何干涉。
图6拦阻钩的装配件 图7拦阻钩装配件干涉检查2.4 拦阻钩的运动运用CATIA的运动学（DMU）模块，可以形象看到拦阻钩的放下以及收起的过程及位置。
对于较短时间内（2秒）放下的拦阻钩，从原来紧贴机身腹部，拦阻钩绕与机身连接接头旋转向下65度。
此时拦阻钩在纵向缓冲器作用下压紧跑道，随着飞机继续向前滑行，拦阻钩准备钩住在跑道上的拦阻绳索。
下面两图分别为拦阻钩收上与放下位置关系。
图8拦阻钩收上状态 图9拦阻钩放下65度状态3. 飞机拦阻钩的强度分析参考同类型的拦阻钩在不同飞机总重、不同的拦套速度和离跑道中心偏心距离下，得到最大的拦阻钩轴向力。
在总重为177777.78N，最大拦阻速度为71.06m/s下，轴向最大力为357777.78N[2]。
本文采用CATIA的有限元模块来进行拦阻钩的静力学有限元分析：把以前所做拦阻钩的模型部件整合为一个体并加上材料特性以普通钢为例（E=2e11+011N_m2）。
拦阻钩为全钢结构。
首先对其进行约束（只有绕机身连接点可以旋转），按照实际情况把拦阻钩钩臂进行约束，拦阻绳把357777.78N加于拦阻钩钩槽内。
3.1 有限元划网格划分本算例采用线性四面体元划分拦阻钩。
有限元节点数目： 8330有限元单元数目： 32404有限元单元自由度： 24990线性四面体个数： 32404图10拦阻钩有限元网格划分 图11拦阻钩在载荷下位移云图图12拦阻钩在载荷下应力云图3.2 施加载荷的分布结果载荷施加于工作方向，采用分布力的形式添加，经过等效后为：Fx = 3.578e+005NFy = -4.232e-005NFz = 3.427e-007NMx = -2.727e-006NMy = 3.895e-006NMz = 3.570e+004N拦阻钩在此最大载荷下，在位移云图上可明显看出出现在钩头处，最大位移0.0194m，沿拦阻钩钩臂逐渐减小至0m。
应力云图上应力最大出现在缆索沟槽内，最大为160MPa，次一级的应力沿沟槽与钩臂相交处，出现在离沟槽最近的钩臂下表面，直至钩臂尾部。
总体上钩臂上应力沿着中心对称面是对称分布，离中性面越远应力越大。
4. 结论由所受力的传递知，沟槽受到轴向拉力，对钩臂产生了一定的扭矩，因此最大位移分布与最大应力分布是合理的。
普通钢的抗拉强度（σb）最小为400MPa，而此算例拦阻钩采用超强度钢，其抗拉强度最小为1373MPa，这种拦阻钩的设计静力学是合理的[1] [3]。
参考文献[1] 《飞机设计手册》总编委会编. 飞机设计手册起飞着陆系统设计[M] 北京:航空工业出版社,2002:271-321[2] Lyle W. Jones, Systems Engineer. Development of curve for estimating aircraft arresting hook loads [J]. Air force flight center Edwards air force base, California. 1982.[3] 国防科学技术工业委员会.飞机拦阻装置通用规范[J] 北京,1998.[4] Engineered Arresting Systems Corporation. Safety Bulletin [J]. May 2004DESIGN STRENGTH ANALYSIS OFTHE ARRESTING HOOKLiu GangCollege of Aerospace Engineering , Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing , 210016ChinaAbstractThe work principle and design requirements of arresting hook when aircraft lands on ground or on carrier are introduced. Design the basic parts of arresting hook, the max axis strength analysis of arresting hook with Finite Elements Method are made. The reference of arresting hook detail design is offered in this paper, also the criterion of arresting system design in the next stage is made.Keywords：Arresting Hook；Finite Elements Method；Arrest；CATIA。
