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飞机断离销剪切强度有限元机械与实验研究

时间:2018-01-18 18:20来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是机械工程论文,本文以民用飞机吊挂应急断离保险销作为研究对象,采用一系列基础实验,得到保险销的基本性能,并通过 ABAQUS 软件进行有限元分析验证。
第 1章 绪论
 
1.1 课题研究的背景及意义
随着民用航空的不断向前发展,对大型民用飞机的需求量不断的增加,因此大飞机的研制成为我国航空飞机制造领域的一个重要的组成部分。在飞机的设计过程中,飞机的安全性能是飞机设计最重要的指标。因此在飞机的设计过程中,不仅要保证飞机在运行过程中的可靠性,还要提高飞机出现事故时对飞机乘客的保护能力,提高飞机的在坠落和撞击时安全性能。在飞机的事故发生时,发动机是飞机失事后着火、爆炸的主要事故发生源,因此研究实现应急着陆过程中发动机-吊挂与机翼的应急断离技术是提高飞机坠撞安全性的有效措施之一,这对降低飞机事故后二次伤亡的可能性,为机上乘员争取更多生的存机会有非常重大的意义。起落架作为飞机重要部件,在飞机起飞降落的过程中,起落架对于飞机而言担负着飞机的安全。飞机在起飞和降落时处于飞机事故的多发段,大量飞机事故统计表明,超过五成以上的飞机事故发生在飞机的起飞和降落阶段,这就要求起落架系统拥有极高的安全性能[1]。吊挂保险销是飞机机体结构最重要的承力部件,起到传递发动机的推力、吸收发动机机体本身的振动、承受发动机所有的载荷,隔离发动机起火区域的作用[2]。从以往的民航事故的数据统计分析中我们可以看到,发动机是飞机事故最主要的发生源之一,尤其是在高危险事故中,而吊挂保险销是在飞机出现重大事故时将发动机抛离飞机,从而避免飞机发生火灾的重要结构,所以对全机安全起到至关重要的作用。根据资料数据统计,因为起落架的收放结构中的某些部位发生损伤或者破坏从而导致起落架收放没有到位,致使飞机在迫降时发生事故的概率为 34.4%[3,4];其中在 1993~2003 年中,因起落架系统发生故障从而引起飞机在飞行过程中发生大小事故占到飞机事故总数的 15%,其中光因飞机起落架收放系统发生故障引起的飞机事故就占到了飞机事故的两成左右[5]。因此在民用飞机设计制造的过程中,为了降低飞机发生严重的事故的概率,在事故中保护乘客的安全,国外成熟机型往往在飞机起落架没有正常工作,造成飞机无法正常降落从而被迫采用应急着陆机制,采用吊挂和机翼油箱整体分离的设计方式,即对吊挂与机翼连接紧固件吊挂保险销进行特殊的空心弱化处理,从而保证在超过安全载荷下,吊挂保险销紧急断离,抛离吊挂,与机翼油箱分离,从而避免因为飞机发动机撞击油箱,造成油箱破坏和飞机航空燃料的泄漏,避免发生重大的火灾保护飞机乘员的安全。
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1.2 国内外研究现状
飞机能否独立设计制造体现了一个国家的科学技术水平和国家综合实力,上个世纪 40 年代末,英国设计制造了世界第一架喷气式客机“哈维兰彗星”号,并进行了首次试飞[12]。从此世界各国进入了一个在大飞机设计上不断竞争和发展的时代。新中国成立后,经过一定时间的发展,中国拥有了一定的经济基础。中国生产的最早的飞机是运-7 双发涡轮螺旋桨中短程运输机,是中航工业参照苏联的安-24 型飞机进行研制生产的。运-7 是上世纪 70 年代初首飞,80 年代中交付使用,开启了中国制造的飞机进入中国民航客机的历史。上个世纪 70 年代,国家启动“708 工程”,开始设计研制运-10 飞机,运-10 飞机是一款中国第一次真正意义上自主设计的大飞机,80 年代初完成了首飞,并进行了好几次测试,使当时的中国成为世界上第四个能造出百吨级大飞机的国家,不过由于各种条件不成熟,运-10 项目最终下马[13]。然而运-10 的挫折,并没让中国人的大飞机梦停滞不前。1.2 国内外研究现状1.2.1 中国大飞机的发展飞机能否独立设计制造体现了一个国家的科学技术水平和国家综合实力,上个世纪 40 年代末,英国设计制造了世界第一架喷气式客机“哈维兰彗星”号,并进行了首次试飞[12]。从此世界各国进入了一个在大飞机设计上不断竞争和发展的时代。新中国成立后,经过一定时间的发展,中国拥有了一定的经济基础。中国生产的最早的飞机是运-7 双发涡轮螺旋桨中短程运输机,是中航工业参照苏联的安-24 型飞机进行研制生产的。运-7 是上世纪 70 年代初首飞,80 年代中交付使用,开启了中国制造的飞机进入中国民航客机的历史。上个世纪 70 年代,国家启动“708 工程”,开始设计研制运-10 飞机,运-10 飞机是一款中国第一次真正意义上自主设计的大飞机,80 年代初完成了首飞,并进行了好几次测试,使当时的中国成为世界上第四个能造出百吨级大飞机的国家,不过由于各种条件不成熟,运-10 项目最终下马[13]。然而运-10 的挫折,并没让中国人的大飞机梦停滞不前。
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第 2章 常温压缩实验及本构模型的拟合
 
2.1 15-5PH 不锈钢常温变形本构关系实验研究
实验研究是在实际生产和科学研究中最重要的方法之一,不仅能为材料的数值模拟以及有限元模拟研究提供精确有效的理论数据,并且也能提供材料本身所具有的本构关系和数学模型,因此实验研究的基本理论和正确的研究方法在材料常温加工复杂变形的研究过程中非常重要。目前,圆柱体压缩实验法是比较成熟的研究金属材料变形方法。金属压缩实验方法是重要的标准实验方法之一,属于金属力学性能实验标准方法体系。金属材料压缩实验所体现出的力学性能和拉伸力学性能一样,体现了金属材料最基础最具有特性的重要力学性能,是在工程结构和机械结构的设计、制造以及使用方面都必须了解的基本性能参数[51]。通过观察金属材料在实验中的现象,收集和分析实验数据,可以准确的知道和认识金属材料在某一特定应变率情况下的流变行为。传统的马氏体是依靠碳强化的,而 15-5PH 不锈钢则与之不一样,碳在 15-5PH 不锈钢中是被视为杂质而严格控制的,质量分数满足 0.07%,它是靠固溶和沉淀相强化的,淬透性和敏化都不再是 15-5PH 不锈钢的问题,在空气中冷却即可获得全部的马氏体,在 485℃时效 1h, 即可获得拥有优秀的综合性能的 15-5PH不锈钢[52]。因此该不锈钢不仅拥有良好的加工工艺性能和优良的力学性能,同时还具有很好的韧性和延展性、硬度和耐腐蚀性能。因此在航空航天、飞机零件、部件制造领域有很广泛的运用[53]。
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2.2 本构方程的建立
 
2.2.1 弹塑性双线性本构模型
所谓本构关系即是指描述材料在变形的过程中应力与应变或者应力率与应变率之间的关系,是指变形材料形变的物理方程,也是描述变形材料特性的方程。本构关系是力学问题与工程问题之间一个非常重要的结合点,也是考虑材料采用何种损伤模型时的切入点。材料采用何种本构关系是建立各类工程问题力学模型的基础,弹塑性双线性本构模型是金属材料的一种基础性本构关系模型,它在描述材料的变形中应用较为广泛。根据常温压缩实验得到两条真实应力-应变曲线,对两条真实应力-应变曲线进行拟合可知试样的屈服强度分别为 1090MPa 和 1102MPa,两条曲线的屈服强度取平均值为 1096MPa,并且已知通过同样材料所制的试样进行拉伸实验得到拉伸的屈服强度为 1077MPa。对比两个实验结果,压缩、拉伸实验的屈服强度基本一致,实验结果可信。
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第 3 章 剪切强度的实验及有限元分析 .........17
3.1 引言 .....17
3.2 剪切强度实验 ..........17
3.3 剪切强度的有限元分析 ...............19
3.4 实验及有限元模拟结果分析 ........... 26
3.5 本章小结 .............. 26
第 4章 真实结构保险销剪切强度的实验及有限元分析 ........ 28
4.1 引言 ..... 28
4.2 真实结构保险销剪切强度实验 ......... 28
4.3 真实结构保险销剪切强度有限元分析 ................ 31
4.4 有限元模拟结果与分析 ............... 34
4.6 本章小结 .............. 43
第 5章 飞机断离销剪切强度动态分析 ......... 45
5.1 引言 ..... 45
5.2 SHPB 实验.............46
5.2.1 实验材料 .........46
5.2.2 SHPB 实验装置及方法...........46
5.2.3 实验结果 .........49
5.2.4 结果讨论 .........49
5.3 本构方程的建立 ........50
5.4 飞机保险销在不同应变率下的剪切强度动态分析 ......54
5.4.1 有限元模拟结果分析与讨论 ......54
5.5 本章小结 ..............56
 
第 5章 飞机断离销剪切强度动态分析
 
5.1 引言
飞机应急断离保险销是飞机的重要的保险装置,保险销材料的选择、实验和有限元的模拟研究对保险销的设计起到非常重要的作用,提供了大量的数据参考和理论依据。通过 15-5PH 不锈钢试样的常温压缩实验,并与 15-5PH 不锈钢拉伸实验的结果作对比,得到了 15-5PH 不锈钢材料的基本参数。针对 15-5PH 不锈钢试样的剪切实验和剪切强度的有限元模拟研究,得到了 15-5PH 不锈钢的剪切强度和最大施加载荷,并且相互对比分析,验证了有限元模拟的正确性。最后,在模拟保险销在真实情况下的剪切实验和有限元模拟分析,验证了有限元模拟的准确性,研究了保险销的具体的断裂过程,并研究了不同内径的保险销的切断情况。对于以上的有关 15-5PH 不锈钢材料的保险销的研究,基本都是在静态情况下的力学行为,正如金属材料往往表现出应变率效应一样[60,61],一般的静态实验并不能完全代表保险销在动态情况下的力学行为,因此对 15-5PH 不锈钢材料进行动态实验是十分有必要的。目前,相关学者已经提出了一些动态实验的方法,有夏比摆锤冲击实验方法[62],高速液压伺服材料试验机进行动态拉伸力学性能测试[63], 霍普金森压杆(SHPB)实验技术动态力学性能测试[64]等动态实验方法。陶俊林[65]为了提高霍布金森压杆实验的精度和可比性,认真研究了各种影响霍布金森实验结果的因素,并对霍布金森实验提出了进一步的改进意见。尚兵等[66]针对研究了 SHPB 实验数据处理的方法,提出了三波校核法,引入了动态、显示的反馈机制来校核波头对齐是否正确,减少人为操作产生的误差对实验结果的影响,提高了 SHPB 实验数据的精度与可靠性,从而使 SHPB 实验操作和实验后处理数据更加的简化。肖大武等[67]研究了不同的试样尺寸对高应变率实验结果的影响,为SHPB 压杆实验在高应变率实验提供了参考依据。在这些研究中,我们了解了霍布金森压杆实验的实验方法和基本理论。本章采用 Hopkinson 杆进行压杆实验,通过霍布金森压杆实验,测试应变率539s-1,1045s-1,1378s-1,2075s-1四种高应变率情况下 15-5PH 不锈钢材料的真实应力-应变曲线。针对不同真实应力-应变曲线进行本构模型的拟合,建立 15-5PH不锈钢的本构关系,并在此基础上研究不同应变率下保险销的动态剪切性能。
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结论
 
本文首先对 15-5PH 不锈钢材料圆柱体试样进行常温压缩实验,得出 15-5PH不锈钢材料圆柱体在应变率为 0.01s-1时的常温压缩真实应力-应变曲线,再利用Origin 软件进行真实应力-应变曲线本构关系的拟合。接着对 15-5PH 不锈钢材料试棒进行剪切实验,同时用 ABAQUS 有限元软件对剪切实验进行有限元模拟。并且对真实结构保险销进行剪切实验和有限元模拟,研究其剪切断裂过程及结果,再在这基础上对不同内径的保险销进行有限元模拟分析,研究不同内径真实结构保险销剪切断裂随内径变化的规律。最后对 15-5PH 不锈钢材料圆柱体试样进行霍布金森压杆实验,得到 15-5PH 不锈钢材料在四种高应变率为 539s-1,1045s-1,1378s-1,2075s-1下的真实应力-应变曲线,利用 Origin 软件进行本构关系的拟合,研究其变化规律,并在此基础上研究保险销在不同应变率下的动态剪切性能。主要得出以下结论:
(1)通过在 Gleeble 3800 型热模拟试验机对两个 15-5PH 不锈钢材料试样进行常温压缩实验,得到在应变率 0.01s-1下的真实应力-应变曲线,确定了材料的弹塑性本构模型,得到材料的平均屈服强度,并且与拉伸实验的的屈服强度对比,可知实验结果基本吻合,从而验证常温压缩实验数据的准确性。
(2)对 15-5PH 不锈钢试样在万能试验机进行剪切实验,得到了 15-5PH 不锈钢试样的剪切强度、最大施加载荷。并用 ABAQUS 有限元软件建立剪切实验的有限元分析模型,调整有限元模拟分析的具体参数,研究了 15-5PH 不锈钢试样剪切切断的过程,分析了试样的剪切强度、等效塑性应变和施加在上剪刀的时间-施加载荷曲线变化情况,并与剪切实验结果进行对比分析,验证了剪切强度有限元模拟分析的正确性,为接下来的有限元模拟分析提供数据参考。
(3)通过真实结构保险销的剪切实验,得到了真实结构保险销在切断后的下剪刀的轴向位移和保险销切断后的最大施加载荷。建立了真实结构保险销模型并进行了有限元模拟分析,主要研究了保险销的剪切强度、等效塑性应变、下剪刀的轴向位移和保险销切断后的最大施加载荷,并与实验结果对比,验证有限元模拟结果的准确性。在此基础上在 ABAQUS 软件上改变保险销的内径,模拟研究了保险销在不同内径下的切断情况,主要得到以下结论:保险销的剪切强度基本在 652MPa 这个数值进行上下波动,下剪刀轴向位移随着保险销的内径的增加而不断地减小,保险销切断后的最大施加载荷也随着内径的增加而不断的减少。
(4)通过霍布金森压杆实验,得到了 15-5PH 不锈钢材料圆柱体试样在四种不同的高应变率下的真实应力-应变曲线,并对其进行了分析,得出了屈服应力随着应变率的增加而增加,并且应变率越高,所需要的能量也越高。Johnson-Cook 本构模型很好的预测了 15-5PH 不锈钢材料在高应变率条件下的流变行为,并与实验数据进行对比分析,验证了 Johnson-Cook 本构模型的准确性。
(5)有限元模拟分析了不同应变率下的保险销的剪切切断的过程,研究了保险销不同应变率下的剪切强度及断裂破坏情况,结果表明随着应变率的增加,保险销的剪切强度基本不变,而保险销的破坏程度明显不同。
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参考文献(略)
 
(责任编辑:工程论文)
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