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大型民机结构动力学建模与适航验证分析技术研究

朱广荣  
【摘要】:本文以我国大型客机研制过程中出现的有关结构动强度问题为牵引,综合利用理论分析、有限元技术和实验等多种手段对民机结构动力学及适航验证分析中的若干瓶颈技术进行了探索。通过研究提出既满足我国现阶段实际工程需要,又与适航条款规定相适应的大型客机结构动力学及动强度试验与分析方法,为我国民机研制结构动强度分析与校核提供理论依据和实施手段,也为后续开展的其他民机型号研制工作积累研究经验。论文的主要工作有:(1)通过数值分析探索了典型航空结构件结构动力学模型因几何简化带来的计算误差来源,并根据细化的L形长桁结构动力学模型的受力特点和模态振型,提出了L形长桁结构的等效动力学建模方法,提高了典型细长航空结构件结构动力学模型的计算精度。同时,给出了螺栓连接结构的等效动力学建模法则及相应的连接结构模型参数计算方法。(2)提出了基于子结构综合技术的局部非线性系统自由度减缩方法。通过子结构综合技术将作为线性系统的飞机结构变换到模态坐标下进行自由度减缩,然后与在物理坐标下表示的具有非线性特性的起落架缓冲系统进行子结构综合,获得在模态坐标与物理坐标混合空间内的综合方程,解决了大型客机结构动力学模型计算规模庞大,计算效率低的问题。(3)根据适航条例相关条款要求,建立了ARJ21-700飞机的鸟撞动力学模型,通过数值计算模拟了鸟体撞击水平尾翼结构上的不同部位的尾翼结构损伤过程,并开展了水平尾翼鸟撞动力学试验对计算结果进行了验证,讨论了影响模型计算结果的因素,给出了提高抗鸟撞能力的手段。(4)针对适航条例里规定的声疲劳特性验证问题,在某型飞机结构有限元模型的基础上结合发动机噪声声压数据进行了声疲劳分析,明确了声疲劳的可能发生部位,通过30万个起落的等效试验对某型飞机的声疲劳寿命进行了验证。(5)提出了一种基于模态应力来确定白噪声激励下的结构应力集中部位,并在此基础上进行疲劳寿命预估的方法。随后,以ARJ21-700飞机平尾整流罩支架裂纹问题为研究对象,在结构动力学模型计算结果的基础上提出了支架结构改进方案,并通过仿真分析和试验两种手段对所提出的支架改进方案进行了验证。(6)建立了ARJ21-700飞机应急着陆全机动力学有限元模型和燃油管路细节有限元模型,明确了CCAR/FAR 25.994条款规定的技术要求,通过仿真分析技术对该型飞机在应急着陆环境下的燃油管路动强度进行了评估,确定了应力集中部位和柔性结构承载能力。


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