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舰载机拦阻着舰动响应分析与试验研究

舰载机拦阻着舰动响应分析与试验研究

作者：熊文强华南理工大学

学位级别：硕士

舰载机采用高速、短距离、强制动的拦阻降落方式,在极短时间内完成从进场、下滑、拦阻钩挂索至停稳的整个过程。这种“砸地式”降落方式对机体结构和起落架装置作用巨大的冲击载荷,可能会对起落架结构造成结构损伤、机身上出现过载、应... 详细信息

舰载机采用高速、短距离、强制动的拦阻降落方式,在极短时间内完成从进场、下滑、拦阻钩挂索至停稳的整个过程。这种“砸地式”降落方式对机体结构和起落架装置作用巨大的冲击载荷,可能会对起落架结构造成结构损伤、机身上出现过载、应变过大的危险点导致局部破坏。本文首先基于舰载机多刚体耦合运动,对起落架、拦阻装置以及机体结构进行受力分析,分别建立起落架、拦阻装置以及机体动力学模型。在舰载飞机的六自由度运动模型的基础上,耦合前后起落架、拦阻装置以及机体结构运动关系,得到舰载机刚体质心化后的平动动力学方程和舰载机俯仰转动的动力学方程,揭示舰载机拦阻运动规律。针对某舰载无人机拦阻着舰过程中的机体强度问题,以其中机身结构为主要研究对象,首次设计了包括中机身结构与前后机身、机翼假件以及拦阻钩等构件的地面拦阻模拟试验方案,并搭建了相应装置,采用地面试验和刚柔耦合仿真模拟两种方法,对拦阻着舰过程中拦阻力冲击下中机身结构的动态响应特性进行了全面分析。试验与仿真结果表明:中机身最大航向过载沿两条主传力路径自后机身到前机身方向衰减,下传递路径点的过载峰值明显大于上传递路径点的峰值;发现最大过载点位于拦阻接头处,应变危险点位于机腹梁前段处;中机身结构上各测点的试验和仿真过载误差均在5%以内,应变误差均在8%以内,验证了刚柔耦合数值仿真方法的可行性。以上结果可为舰载无人机机身结构强度设计提供重要参考,并为后续舰载无人机的拦阻着舰分析以及机身结构响应预测提供依据。研究侧风、纵摇和横摇三种工况下舰载机拦阻着舰过程中起落架动响应以及机身动强度问题。基于某型舰载无人机,采用刚柔耦合的仿真方法,得到复杂荷载下的整机刚柔耦合拦阻着舰模型,仿真分析得到:飞机拦停距离不受三种工况影响;纵摇运动导致飞机质心俯仰姿态角与钩甲角变小,起落架触舰时间延后,最大至0.33s;纵摇运动下机翼点的法向过载值明显小于其它两种工况。机翼法向过载最大值位于靠近中机身处,最大值达到63g,其分布趋势为沿着翼尖方向,机翼法向过载值逐渐变小;侧风与横摇两种工况下机身处应变随时间变化曲线趋势几乎一致,纵摇工况下的应变幅值小于侧风和横摇两种工况。分析机身姿态、强度以及起落架响应结果,得到各级海况对着舰结果的影响规律,为复杂海况下的舰载无人机着舰可行性提供参考。

关键词：舰载机拦阻着舰拦阻地面试验冲击响应刚柔耦合多体动力学

复杂载荷下舰载机拦阻着舰刚柔耦合动力学研究

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复杂载荷下舰载机拦阻着舰刚柔耦合动力学研究

作者：高华峰华南理工大学

学位级别：硕士

舰载机拦阻着舰过程为舰载机减速沿着预定的轨道着舰,拦阻钩与拦阻索啮合后,通过拦阻索强制制动使飞机减速,最后舰载机被拦停在甲板上。舰载飞机拦阻着舰过程中,载荷大、加速度大、距离短、时间短,且受航母运动、气流扰动等条件影响,存... 详细信息

舰载机拦阻着舰过程为舰载机减速沿着预定的轨道着舰,拦阻钩与拦阻索啮合后,通过拦阻索强制制动使飞机减速,最后舰载机被拦停在甲板上。舰载飞机拦阻着舰过程中,载荷大、加速度大、距离短、时间短,且受航母运动、气流扰动等条件影响,存在复杂的强非线性多学科动力学耦合问题。拦阻过程中存在一系列安全性问题,如:非对称拦阻着舰飞机冲出甲板、拦阻钩与舰面的碰撞、结构或载荷问题导致拦阻钩或索的损坏、冲击载荷过大导致起落架损坏、机身过载或应力过大导致局部破坏等问题。因此,拦阻着舰过程通常被认为是舰载飞机事故率最高的阶段。本文根据柔性多体系动力学理论,利用ADAMS联合PATRAN、NASTRAN和HYPER-MESH等软件,基于某型号舰载无人机,将飞机作为柔性体,起落架和拦阻钩为刚体,建立舰载机-拦阻钩刚柔耦合多体动力学模型,根据全机地面共振实验得到飞机不同振型下的频率与结构阻尼参数,给飞机柔性体添加结构阻尼,考虑起落架缓冲器的缓冲作用、拦阻钩纵向作动器的缓冲作用,根据某型号舰载无人机等质量小车拦阻实验数据提出一种在没有拦阻装置的条件下等效施加拦阻载荷的方法以及考虑拦阻过程中气动载荷对飞机的作用等建立复杂-强非线性飞机力学模型,对某型号舰载无人机对中拦阻着舰以及非对称拦阻着舰进行刚柔耦合动力学仿真计算。计算得到对中拦阻和非对称拦阻过程中飞机的姿态变化规律以及飞机纵向过载的传递路径以及应力、应变分布规律,为舰载飞机拦阻着舰提供一种安全可靠的评估方法,同时,也为飞机起落架和机身结构的优化提供一定的参考。研究拦阻过程中有无气动载荷对舰载机着舰的影响,分析得到拦阻过程中考虑气动载荷的作用时,飞机着舰后姿态会更加平稳,机翼翼尖的z位移上下振动的幅度会更小,起落架油液阻尼力和空气弹簧力的瞬态峰值较小,机翼上的垂向过载也较小。拦阻过程中有无气动载荷作用对机身纵向过载以及应力应变的大小和分布规律无明显影响。研究对中拦阻着舰和非对称拦阻着舰下飞机的姿态变化规律和飞机的动态响应,可以分析得到:非对称拦阻着舰对飞机的纵向位移有影响,同时也存在侧向位移;此外,飞机左右主起落架的缓冲力变化趋势不一致,不对称;飞机机翼翼尖的z向位移变化趋势也不一致;飞机机身左右两侧靠近拦阻钩附近位置的纵向过载不一样。非对称拦阻对飞机机身的应力以及机翼应变的大小和分布规律无明显影响。

关键词：舰载机拦阻着舰动态响应刚柔耦合多体动力学

颈部限位保护装置设计及其对拦阻着舰工况下飞行员颈部防护仿真

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颈部限位保护装置设计及其对拦阻着舰工况下飞行员颈部防护仿真

作者：赵虎吉林大学

学位级别：硕士

拦阻着舰过程中飞行员承受较大的持续性阻拦负加速度,导致颈部损伤及各类颈部疾病的发生。为了降低我国飞行员在此过程中的颈部损伤程度,本研究设计了一种颈部限位保护装置,采用有限元分析方法对其防护效果进行评估。为针对我国飞行员... 详细信息

拦阻着舰过程中飞行员承受较大的持续性阻拦负加速度,导致颈部损伤及各类颈部疾病的发生。为了降低我国飞行员在此过程中的颈部损伤程度,本研究设计了一种颈部限位保护装置,采用有限元分析方法对其防护效果进行评估。为针对我国飞行员进行损伤分析与防护效果预测,本研究基于丰田假人模型THUMS（AM50 V6.1）(Total Human Model for Safety),通过比例缩放,建立了符合中国50百分位男性人体尺寸特征的有限元假人模型。经过尺寸误差与网格质量分析保证了缩放模型的准确性。并通过15 G前碰撞实验对缩放模型进行有效性验证。基于缩放模型,以限制飞行员头部的过度前屈运动为设计思想,设计了一款颈部限位保护装置,该装置由头盔、肩托、安全带、卷收器及橡胶块组成。在Pro E、Hypermesh软件中建立装置的有限元模型,将装置与缩放模型进行耦合,分别对佩戴颈部限位保护装置与未佩戴颈部限位保护装置的缩放假人模型进行拦阻着舰工况仿真。结合运动学响应曲线与仿真动画,分析有、无颈部限位保护装置时缩放假人模型运动学响应的差异。并结合NIC（Neck Injury Criterion）时间曲线、Nij时间曲线及NDC（Neck Displacement Criterion）得分,进行对比分析,以验证颈部限位保护装置的限位保护效果。仿真结果表明:15 G前碰撞工况下,缩放模型的头部质心转动角度及合成加速度与实验曲线的趋势及峰值基本一致,且缩放模型头部质心相对于T1在X方向位移基本落于实验区间之内,证明了缩放模型的有效性。拦阻着舰工况下,佩戴颈部限位保护装置时椎骨最大应力降低了55.92%,椎间盘最大应力降低了85.41%,椎骨与椎间盘的受力情况得到明显改善,大幅减少飞行员颈部受损概率。佩戴颈部限位保护装置时NIC峰值下降28.65%,上颈椎Nij峰值下降35.82%,下颈椎Nij峰值下降80%,可以看出颈部限位保护装置对颈部损伤的改善效果极为明显;佩戴颈部限位保护装置的情况下,NDC得分情况从差变为优秀,证明该装置限位效果比较理想。结论:缩放后的假人模型有良好的生物仿真度,可用于拦阻着舰工况仿真计算;且该缩放模型可以作为一种中国体征乘员损伤评价工具,用于其它乘员保护的研究。颈部限位保护装置明显改善了NIC、Nij及NDC指标,证明该装置具有良好的限位保护作用,可用于飞行员头颈部防护。

关键词：拦阻着舰 THUMS 颈部防护装置颈部损伤评价指标

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某型舰载机拦阻着舰动力学建模与分析

某型舰载机拦阻着舰动力学建模与分析

作者：张江华南京航空航天大学

学位级别：硕士

舰载机是现代海防军事力量的重要组成部分,受航母甲板长度和航母随机运动的影响,在拦阻着舰时将面临许多问题,因此为了给舰载机在拦阻着舰时提供提高安全性保障的参考依据,研究舰载机拦阻着舰动力学具有重要意义。本文研究主要内容如下... 详细信息

舰载机是现代海防军事力量的重要组成部分,受航母甲板长度和航母随机运动的影响,在拦阻着舰时将面临许多问题,因此为了给舰载机在拦阻着舰时提供提高安全性保障的参考依据,研究舰载机拦阻着舰动力学具有重要意义。本文研究主要内容如下:在分析了舰载机拦阻着舰过程与特点的基础上,对该过程进行了受力分析,推导了包含机身、起落架、甲板的系统多刚体动力学方程,并基于上述模型,引入了航母运动模型。应用LMS ***虚拟样机平台通过对几何模型的建立、约束的创建、载荷和驱动的施加以及条件的设置,建立了某型舰载机拦阻着舰系统的动力学仿真模型,并通过对所建立的起落架动力学模型进行了落震仿真分析,验证了模型的合理性。通过建立的舰载机拦阻着舰动力学模型,对不同着舰姿态角、不同着舰速度以及航母横摇、纵摇、垂荡运动下的舰载机拦阻着舰过程进行了仿真分析;得到了某型舰载机着舰过程中的姿态变化规律以及起落架载荷情况。研究结果表明:起落架所受载荷与甲板的接触速度直接相关,在航母运动中,可以由舰载机着舰姿态变化来抵消或加剧起落架的着舰冲击载荷。

关键词：舰载机起落架拦阻着舰动力学航母运动

拦阻着舰过程中的人体心肺动力学响应仿真研究

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中华航空航天医学杂志 2018年第1期29卷 28-32,79,80,F0003,F0004页

作者：李鸣皋柳松杨韩雅慧柯鹏赵鑫海军总医院北京100048 空军航空医学研究所北京100142 陆军航空兵学院北京101116 北京航空航天大学 100191

目的研究拦阻着舰产生的持续性－Gx载荷对舰载机飞行员心肺器官产生的机械性挤压，以判断发生损伤的风险。方法基于人体心肺解剖特征和文献中公开的组织材料特性建立具有较高几何精度、刚性与粘弹性相结合的人体心肺及胸骨有限元模型，... 详细信息

目的研究拦阻着舰产生的持续性－Gx载荷对舰载机飞行员心肺器官产生的机械性挤压，以判断发生损伤的风险。方法基于人体心肺解剖特征和文献中公开的组织材料特性建立具有较高几何精度、刚性与粘弹性相结合的人体心肺及胸骨有限元模型，对典型拦阻载荷作用下的心肺动力学响应进行有限元显式动力学分析。结果①心脏最大应力出现在心脏连接处，最高应力值约为1.25 MPa；②肺部最大应力值出现在肺部与胸骨的挤压处，最高应力值约为0.7 MPa；③在－Gx载荷作用下，肺部与胸骨之间会出现多处挤压接触。结论仿真研究表明，－Gx载荷会对人体心脏和肺部产生冲击性应力，导致心肺与胸骨之间的相对位移。提示在舰载机着舰阶段，－Gx载荷对飞行员心肺产生机械性挤压。

关键词：心脏肺动力学计算机模拟有限元分析舰载机拦阻着舰

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拦阻着舰过程中的飞机起落架动力学分析

海军航空工程学院学报 2012年第1期27卷 50-54页

作者：贾忠湖郑小洪海军航空工程学院飞行器工程系海军航空工程学院研究生管理大队

对舰载机拦阻着舰过程中起落架减震支柱进行受力分析，并运用拉格朗日方程针对减震支柱冲程和起落架弹性两个自由度建立舰载机起落架拦阻着舰动力学模型，通过仿真计算，得到了飞机对称对中着舰拦阻、偏心距3m对称着舰拦阻和滚转角2°... 详细信息

对舰载机拦阻着舰过程中起落架减震支柱进行受力分析，并运用拉格朗日方程针对减震支柱冲程和起落架弹性两个自由度建立舰载机起落架拦阻着舰动力学模型，通过仿真计算，得到了飞机对称对中着舰拦阻、偏心距3m对称着舰拦阻和滚转角2°非对称对中着舰拦阻的起落架减震支柱载荷变化情况。结果表明：在拦阻着舰过程中舰载机起落架受到的冲击载荷在经过短暂时间震荡以后会趋于稳定；相比偏心对称着舰，滚转非对称对中着舰对减震支柱的影响更大些，在震荡的量上将更加剧烈。

关键词：舰载机起落架拦阻着舰载荷

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舰载飞机拦阻着舰建模与仿真研究

系统仿真技术 2016年第1期12卷 18-23,29页

作者：姚海林耿建中赵一飞中航工业一飞院陕西西安710089

建立了舰载飞机拦阻着舰的动力学模型,分析了飞机不同触舰方式起落架动力学模型的变化,以及拦阻系统拦阻力的模拟方法。通过数值仿真分析并讨论了航母纵摇运动的相位、频率、振幅对飞机触舰挂钩、逃逸、拦阻特性的影响。结果表明航母运... 详细信息

建立了舰载飞机拦阻着舰的动力学模型,分析了飞机不同触舰方式起落架动力学模型的变化,以及拦阻系统拦阻力的模拟方法。通过数值仿真分析并讨论了航母纵摇运动的相位、频率、振幅对飞机触舰挂钩、逃逸、拦阻特性的影响。结果表明航母运动的相位影响着舰挂钩的成功率及起落架冲击载荷,对拦阻距离和拦阻力影响不大;逃逸时纵摇振幅越大,飞机俯仰角越大。

关键词：舰载飞机航母运动拦阻着舰建模与仿真

基于能量法的舰载机拦阻着舰动力学分析及建模仿真

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飞机设计 2011年第6期31卷 1-5,15页

作者：史红伟徐元铭刘博北京航空航天大学航空科学与工程学院北京100191

针对舰载机拦阻着舰过程,采用能量法分析了任意着舰姿态和位置下的拦阻力响应,建立了全机六自由度动力学模型,考虑了航母甲板风的影响以及航母纵摇和升沉运动。通过MATLAB/SIMULINK建立数学模型,并以一种偏心非垂直着舰拦阻状态为算例... 详细信息

针对舰载机拦阻着舰过程,采用能量法分析了任意着舰姿态和位置下的拦阻力响应,建立了全机六自由度动力学模型,考虑了航母甲板风的影响以及航母纵摇和升沉运动。通过MATLAB/SIMULINK建立数学模型,并以一种偏心非垂直着舰拦阻状态为算例进行了仿真分析。

关键词：舰载机拦阻着舰能量法计算机仿真

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基于飞行试验的舰载机拦阻着舰建模方法

科技与创新 2022年第8期 108-110,117页

作者：王格谢帅闫文辉中国飞行试验研究院陕西西安710089

舰载飞机依靠拦阻钩和拦阻索装置进行拦阻着舰的过程风险性极高。为分析拦阻着舰过程中大过载下的飞机拦阻钩等关键拦阻部件受载情况,建立了舰载机拦阻着舰多体动力学模型,模拟从拦阻钩挂索时刻开始直至飞机拦停的完整过程,并通过舰载... 详细信息

舰载飞机依靠拦阻钩和拦阻索装置进行拦阻着舰的过程风险性极高。为分析拦阻着舰过程中大过载下的飞机拦阻钩等关键拦阻部件受载情况,建立了舰载机拦阻着舰多体动力学模型,模拟从拦阻钩挂索时刻开始直至飞机拦停的完整过程,并通过舰载机陆基模拟着舰飞行试验数据进行模型校验与修正。该仿真模型具有一定的计算精度,可辅助飞行试验进行各种拦阻着舰工况的分析与研究,在优化试飞方案、保证试飞安全以及指导拦阻钩设计等方面具有重要价值。

关键词：舰载机拦阻着舰载荷多体动力学仿真