安全刹车

作者:Andrew Clark与Jared Butterfield,美国空军希尔基地首席结构分析工程师

在美国空军基地中,当牵引车运输喷气式飞机时突然停止就有可能使飞机受损。空军工程团队采用ANSYS Mechanical找到了问题根源,并通过设计一种简单解决方案就解决了这个价值数百万美元的难题。

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towing jet

“为了仿真上述因素的各种组合,工程师进行了15项单独的瞬态动力学分析”

hitch gap diagram 

由于支付能力是美国国防部所面临的关键限制之一,而且面向可持续发展计划的工程(旨在优化资产设备的可用性和控制成本)的重要性日益增加,因此工程仿真的作用也在与日俱增。美国空军(USAF)所面临的情况同样如此。在喷气式战斗机起飞执行任务之前,需要由牵引车将其从维修棚拖曳到飞机库或者从飞机库拖曳到飞机滑行道等等。如果牵引车突然停止,超过设计限值的牵引杆连接器所形成的冲击负载会导致USAF的轻型喷气式飞机产生机械损伤。据估计,此类单点失效有可能造成上百万美元的损失。飞机有时候会造成牵引车翘起,而此类事故有可能导致牵引车司机死亡或造成严重伤害,更不必说导致飞机受损和停飞了。工程师对此感到迷惑不解,因为阻力支撑装配体(在此类事故中最初失效的起落组件)的设计应当能够承受已知的牵引杆负载。在查找问题根源时无法对飞机进行物理测试,因为测试会置飞机于险境。美国空军的工程团队通过仿真一系列制动事故来确定阻力支撑装配体有可能失效的状况,以便在将来进行规避,从而最终解决了这个难题。

仿真有助于确定根本原因

美国空军的工程团队首先采用ANSYS Mechanical 对阻力支撑装配体进行有限元分析(FEA),以确定其强度是否足以承受设计规范中的牵引极限负载。工程师建立了阻力支撑装配体的模型并进行了静态结构分析,结果表明该装配体的强度甚至高于设计规范。工程师随后把实际的阻力支撑装配体放入测试夹具并根据FEA仿真施加负载。测试结果与结构仿真一致,证明了该装配体实际上超过了设计规范的要求。仿真与测试进一步明确了失效过程中事件发生的顺序。首先是上阻力支撑弯曲,导致支撑柱不稳定。然后是主负载路径变成更弱的次级负载路径,其包含了更小型的下位锁连杆组件。次级路径的负载超出下位锁连接接头的承受能力,从而造成阻力支撑装配体出现灾难性故障。

structural simulation upper drag brace

最初是上阻力支撑弯曲,导致支撑柱不稳定。

structural simulation down lock link assembly

阻力支撑弯曲后,主负载路径转移到下位锁连杆。

工程师随后采用ANSYS WorkbenchANSYS Mechanical刚体动力学附加模块进行了多体仿真,以量化牵引车驱动装置触发制动器时对阻力支撑装配体施加的负载大小。他们采用CAD软件建立了牵引装配体的模型,然后把几何模型导入 ANSYS Workbench ,并且采用线、壳与固体单元创建了有限元模型。为了考虑刚度与惯性效应,工程师在模型中整合了相关材料特性,如:弹性模量、泊松比、集总质量、密度等。工程师针对机鼻和主起落架支柱定义了弹簧刚度和阻尼特性。这些特性作为位置及速度的函数,被用作施加在支柱上的用户自定义连接点。牵引杆通过平移接头连接到牵引车,并采用约束方程仿真了连结装置间隙(即牵引车挂钩和牵引杆环之间的距离)的不同尺寸。牵引杆连接到起落架的阻力支撑装配体,以拖动飞机;连结装置间隙是该连接中的游隙或空隙。工程师根据轮胎制造商提供的信息在模型中包含了喷气式战斗机和牵引车的轮胎刚度。工程师将物理测试中获得的时程速度数据作为仿真输入,以提高负载响应的精度。速度和制动摩擦力采用了线性理想条件。

参数化研究

工程师认识到,在不同工况、不同速度、不同制动力情况下,不同的牵引车会产生可变的冲击负载。这些变量的一部分或全部都有可能对阻力支撑装配体的负荷产生重要影响。为了解决上述不确定性,工程师对他们怀疑有可能在一系列事故中起重要作用的变量进行了参数化处理,相关变量包括牵引车重量、速度、加速时间、停止时间和连结装置间隙。在合同规定的测试期间定义了上述因素,为了对这些因素的各种组合进行仿真,工程师开展了15项独立瞬态动力学分析。工程师将15次仿真的结果与测试数据进行了对比,以验证相关模型。

工程师得出的结论是,制动模型的形状取决于牵引车操作人员。这进而会影响到负载响应并且在不同事件中产生显著变化。尽管如此,他们仍然确定:冲击事件产生的最大压缩力与连结装置间隙息息相关。连结装置间隙越大,则压缩力越大。仿真表明,连结装置间隙超过半英寸时,牵引杆和牵引车之间的碰撞会产生超出阻力支撑装配体极限负载的压缩负载。进一步的仿真迭代表明,缩小连结装置间隙可以显著降低各种分析与测试条件下的负载。此外,工程师还确定,牵引车的重量也会产生重要影响:牵引车越重,则对阻力支撑装配体产生的负载越大。

已经明确的是,控制上述间隙是把牵引负载保持在允许限制之下的简单有效解决方案。空军推荐实施限制连结装置间隙的新规程,同时限令在拖曳小型喷气式飞机时只允许采用低于指定重量的牵引车。这些新规程可以提高安全性,同时能够防止拖曳过程中损坏此类昂贵飞机的前起落架。

本文中的应用提供了一个典型例证,详细介绍了美国空军如何采用工程仿真确定性能问题的根源,以便快速、高效解决问题,从而能够节约资金和改进运营准备工作。

前起落架活塞仿真节约360万美元的成本

gear piston

在另一个案例中,更换一款波音707改装机的前起落架需要大笔资金。美国空军工程师采用ANSYS Mechanical进行结构与疲劳分析,从而确定了可以延长部件使用寿命的螺纹修复新方法。工程师通过仿真确认了静态强度安全余量,通过数字疲劳分析验证了疲劳寿命。据估计,仅在实施新方法后的第一年,由于无需重新采购而节约了230万美元,同时维修费用也降低了130万美元。

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