民用飞机气弹簧计分析
飞行器气动弹性力学研究
飞行器气动弹性力学研究随着人类科技的不断发展，飞行器在我们日常生活中扮演着越来越重要的角色。
然而，飞行器运行过程中所受到的气动弹性力学效应却给工程师们带来了极大的挑战。
针对这个问题，工程师们通过气动弹性力学研究，不断优化设计，实现了飞行器的日益完善。
气动弹性力学是研究飞行器表面受到气流冲击时发生变形或振动的现象和规律，包括弦向弯曲和扭转，梁向弯曲和扭曲，以及壳体的撑振和板壳弯曲等方面。
它是飞行器结构强度及振动问题的基础，对飞行器的安全性和自动控制性能有重要影响。
飞行器在飞行过程中，常常会面临复杂多变的气流环境，如高速气流、气流湍流、横向风等，这些气流将对飞行器的表面形成复杂的气动力分布，而这些气动力分布又将对飞行器的结构产生复杂的应力。
若飞行器的强度设计不足或结构刚度不足，以上的气动弹性效应将会引起飞行器的不稳定、飞行方向偏移、结构破坏等严重后果，这对于飞行器的生存和工作都是不可承受的。
气动弹性力学研究是对飞行器进行优化设计的关键。
飞行器的设计从初期的气动计算到最后的翻滚试验，都需要气动弹性力学的支持。
设计师们提出的各种模型在计算过程中需要不断优化，调整和创新。
计算机模拟气动弹性力学的方法为飞行器结构气动力学的计算、仿真和优化提供了方便。
基于气动弹性力学的正向反向传递方法、流固耦合方法和计算流体动力学等，为飞行器的设计带来了更多的选择和挑战。
对于大型飞行器，气动弹性力学分析的难点主要体现在飞行器在低速情况下所受到的气动弹性影响。
例如，大型客机从状态“悬停摆荡”，过渡到正常飞行，存在极大的困难。
因此，设计师们大部分时间都是花费在了优化低速情况下的气动弹性力学问题上。
除此之外，由于发动机的存在，飞机表面还要承受一定的热效应，而这些热效应也会影响气动力的分布，进一步影响飞行器的气动弹性力学效应。
由于发动机喷气口的高温喷气对飞行器表面有着极大的热效应，工程师们则会通过热膨胀和材料蠕变等热气动力学效应来分析和优化飞行器表面的设计。
4飞机的气动弹性力学
1
刚度与气动弹性设计
1 飞机结构的刚度要求
主导思想：受飞机布局设计所确定的气动特性（升阻特
性、力矩特性）及飞行性能要求，必须使飞 机的刚度条件满足飞行总体技术性能；在气 流复杂作用下结构不允许由于刚度不足带来 的不安全或较大损伤积累的行为。
2
1 飞机结构的刚度要求
1 ）静刚度特性要求（变形量控制要求） 飞机结构的各个构件实际都有刚度要求，只是与强度问题
的速度，控制操纵副翼或直接升力面）
16
5 气动弹性方框图
迎角α
升力Y
机翼
刚性机翼空气 动力方框图
迎角α
α+θ
升力Y
刚性机翼
扭矩
作为弹性系统 机翼
扭角 θ
弹性机翼空气 动力方框图
17
5 气
θ
Y+I
变形
弹性系统
质量惯性 θ
惯性力I
弹性机翼的突 风响应
θ
18
6 气动弹性分类
2）静气动弹性问题对结构部件的刚度要求 机翼盒段的抗扭刚度要满足不能使其在气流扰动下发生剖面
扭转角扩大(发散)的可能；
机翼盒段（副翼连接段）的抗扭刚度要满足不能使其在气流
扰动下发生副翼失效或反效的可能。
3）动气动弹性问题对结构部件的刚度要求 机尾翼及副翼受气流扰动条件下，在一定速度范围内不允许
I(惯性力)
A(气动力)
I
S A
E(弹性力)
气动弹性力学三角形
T
E
气动伺服弹性力学三角形
I
A 气动热弹性力学三角形
E
19
析与实验；
结构部件在飞行包线上的气动弹性精确数值计算，确定颤振临
气弹簧的原理及应用
气弹簧的原理及应用1. 气弹簧的定义气弹簧是一种利用气体的压缩性质来实现弹簧效果的装置。
它由一个密封的容器和充满气体的弹性套筒组成。
2. 气弹簧的工作原理气弹簧的工作原理基于理想气体定律，即温度恒定时，气体的体积和压力成反比。
当外力作用于气弹簧时，气体受到压缩，压力增加。
当外力消失时，气体恢复原状，压力减小。
这种压缩-扩张的过程实现了弹簧效果。
3. 气弹簧的特点•可调性：通过调节容器内气体的压力，可以改变气弹簧的刚度，从而适应不同的负载条件。
•无摩擦：由于气弹簧不涉及直接接触，所以没有内摩擦，使用寿命长。
•稳定性：气弹簧在承受负载时，不会因外力的大小和方向变化而改变压力和刚度。
•减震能力高：气弹簧填充气体后，因气体本身的压缩性，能够起到良好的减震效果。
4. 气弹簧的应用气弹簧由于其特殊的工作原理和特点，在多个领域广泛应用。
4.1 汽车工业气弹簧在汽车悬挂系统中扮演着重要的角色。
它能够根据实际负载来调节悬挂高度，并提供良好的行驶舒适性和稳定性。
此外，气弹簧还常用于汽车座椅和避震器中，提供舒适的乘坐体验。
4.2 工业机械气弹簧广泛应用于工业机械的减震和支撑系统中。
例如，在机床领域，气弹簧可用于支撑工作台面，提供稳定的工作环境。
在航空航天领域，气弹簧能够用于减震和支撑飞机和航天器部件。
4.3 家具制造气弹簧也常用于家具制造中，特别是调节桌椅高度和坐姿舒适性的场景。
例如，调节办公椅高度的气弹簧和调节床架高度的气弹簧都是常见应用。
4.4 医疗器械在医疗器械中，气弹簧也有广泛的应用。
例如，手术床、座椅和轮椅等医疗设备中的气弹簧，能够提供调节高度和舒适性的功能。
5. 气弹簧的优势与传统螺旋弹簧相比，气弹簧具有以下优势： - 可调性：气弹簧可以通过调节气体压力来改变刚度和高度，适应不同的负载条件。
- 减震性能好：气弹簧由于气体的压缩特性，具有出色的减震和减振能力。
- 稳定性高：气弹簧在负载变化时，不会因外力的大小和方向变化而改变刚度和高度。
民用飞机气弹簧设计分析 (1)
民用飞机气弹簧设计分析-机械制造论文民用飞机气弹簧设计分析唐行微（上海飞机设计研究院结构部，中国上海201210）【摘要】气弹簧是性能可靠和安装方便的定制结构件，相对于民机上使用的传统机械弹簧单元在重量上具备优势。
本文介绍了气弹簧的组成结构和工作方式，通过民用飞机舱门设计中的工程实例简要描述了在民机舱门上气弹簧设计的方法，通过CATIA仿真来模拟气弹簧的安装及运行来优化气弹簧的各项基本参数，并且给出了民机气弹簧的可靠性计算标准。
关键词气弹簧；民机舱门；可靠性0 前言气弹簧是一种可以实现支撑、缓冲、制动、高度及角度调节等功能的零件，在工程机械中，主要应用于雷达罩、口盖、舱门等部位。
气弹簧主要由活塞杆、活塞、密封导向套、填充物、压力缸和接头等部分组成，在密闭的缸体内充入和外界大气压有一定压差的惰性气体或者油气混合物,进而利用在活塞杆横截面上的压力差完成气弹簧自由运动。
工作时，惰性气体、油液通过活塞上的阻尼孔时产生阻尼作用，控制气弹簧的运行速度，其运行速度相对缓慢、动态力变化不大。
在飞机结构舱门设计中经常使用弹簧作为机构功能实现的一部分单元，通常用于提供手柄回弹的回复力，机构运作的助力以及防止机构意外运动的过中心阻力。
其中用于提供助力和阻力的弹簧通常为压缩弹簧，舱门设计中通常采用传统机械弹簧，这种设计存在两方面的劣势：一是传统机械弹簧其材料通常为321固溶钢或者15-5PH不锈钢，在重量上需要付出一定代价，二是目前航空领域弹簧制造主要通过辅助工具手工弯制，其实际力学性能通常与设计目标存在一定差异且不稳定。
气弹簧由于其安装方便，工作平稳，使用安全，成为汽车和机械制造等领域的标准配件。
相对于传统机械弹簧，定制气弹簧在确保满足设计需求和重量上具备明显的优势，舱门机构中使用的多处弹簧单元均可使用气弹簧来替代。
本文根据实际舱门的结构特点及气弹簧在舱门上的具体应用，对安装在舱门上的气弹簧的运动状态进行了分析和研究，给出了具体舱门气弹簧的设计步骤，同时对于民机舱门在使用条件及可靠性方面做了基本的分析。
第9章 飞机的气动弹性
南京航空航天大学 飞机设计技术研究所
结构刚度不足对飞机最主要的影响在于， 飞机在飞行速度范围内可能会发生气动弹 性现象，这时的刚度判据就是发生气动弹 性现象时的临界速度Vcr，结构刚度必须要 满足条件Vcr>Vmax 气动弹性是与飞机上的气动力、惯性力和 结构的弹性力相关的，是由于飞机在飞行 时载荷作用下的变形和弹性引起的。
图9.1 气动弹性力三角形
图9.2 翼剖面上的三个特征点
9.2 静气动弹性现象 9.1.1变形对气动载荷分布的影响
图9.3 后掠机翼的弯曲对剖面攻角的影响
图9.4 后掠机翼的变形对气动力展向分布的影响
9.1.2发散
图9.5 机翼发散
9.1.3操纵机构的反效
图9.6 副翼（舵面）反效
9.2动气动弹性现象 9.2.1机翼的弯-扭颤振
图9.7 机翼的弯扭颤振
9.2.2机翼弯曲－副翼偏转颤振
图9.8 机翼弯曲－副翼偏转颤振
9.2.3尾翼的颤振
图9.9 机翼弯曲－舵面偏转颤振
图9.10 舵面平衡
如果出现的附加力只有与变形大小有关的 气动力和弹性力，这种气动弹性现象称为 静气动弹性现象 ( 副翼和舵面反效，机翼、 尾翼的气动发散)。 飞机结构在变形过程中会出现结构振动， 在振动过程中，如果除了弹性力和气动力， 还有大小和方向随时间而变化的惯性力的 作用，这种振动在一定条件下(V cr≤Vmax) 会导致结构失去动稳定性。这种在气动力、 弹性力和惯性力共同作用下出现的这种现 象称为动气动弹性现象(飞机颤振、抖振 等)。
飞行器计算气动弹性分析技术研究综述
紧耦合法要求对流体控制方程
计算流体力学（CFD）和计算结构动 [K] 为刚度阵；F（t）等效节点力矢量； 和结构动力方程同时求解，流体求解
力学（CSD）分析气动弹性问题的一 q（t）为广义位移矢量。
的每一个内部时间迭代步就向结构
种方法，其求解过程如图 1 所示。
2 耦合方法
输出气动力，进行结构变形计算，这
（1）松耦合法（Loosely Coupling 数国外研究机构，国内进行研究的还
网格；（4）CSD 求解器求解结构响应； Method），又称弱耦合法。典型松耦 很少见，从其发展趋势来看，紧耦合
（5）数据传递，结构响应映射到 CFD 合方法流程图如图 2 所示。
是以后 CFD/CSD 耦合计算研究发展
the Mechanism of Flutter》，文章建立 和气动 / 结构 / 控制的一体化设计也
了非定常气动力与颤振模型并从理 成为研究的热点。主要研究特点是：
论上计算了 2 个或 3 个自由度翼型 以非线性气动弹性分析为主要研究
的颤振特征，这成为气动弹性问题数 方向，利用计算流体力学（CFD）和 值计算的一个里程碑 [2]。在此后的 计算结构动力学（CSD）的最新成果，
最希望的是在复杂程度和精度之间 法，该方法可以处理复杂的几何体问
找到一个最佳的平衡点，不仅从精度 题，计算精度也比较高，但其在搜索
上可以满足工程分析的需要，同时计 过程中耗费时间较长 。 [14]
算耗费也应控制在可接受的范围，模
常用的插值方法还曲面双调和法（MQ），薄板样条插值
E、F、G 为 N-S 方程的对流项；Ev， Fv，Gv 为 N-S 方程的粘性项，雅可比 行列式为：
。
Method），又 称 强 耦 合 法（Strongly Coupling Method）或全耦合法（Fully Coupling Method）。典型紧耦合方法 流程图如图 3 所示。
航空航天中的气动弹性分析研究
航空航天中的气动弹性分析研究航空航天的发展离不开对气动力学的深入研究，而气动弹性分析更是在航空航天中发挥着重要作用。
气动弹性分析是指航空航天领域内对空气对航空器或航天器的结构物进行作用过程中所涉及的物理特性进行分析和计算的过程。
这其中包括了众多的分析方法和手段，例如数值模拟、实验测试等。
一、气动弹性分析基础航空航天中的气动弹性分析基础包括两个方面：气动力学和结构力学。
气动力学是指对飞行器在飞行过程中与周围空气所产生的相互作用进行分析和计算的科学学问，包括了空气力学、气动力学的基本理论以及方法和手段等。
最常见的气动力学现象为升力和阻力。
而结构力学是对结构物所受载荷和变形特性等进行分析的方法，包括了结构分析、强度分析、有限元分析等，这方面的工作是保证飞行器足够的性能和稳定性的重要基础。
在基础理论的支持下，航空航天领域中出现了众多气动弹性分析方法，比如多物理场耦合方法、多尺度分析等。
二、气动弹性分析方法气动弹性分析方法是对飞行器所经历的气动力学现象与结构物所受载荷之间的关系进行分析和计算的方法和手段。
这里介绍两种常用的气动弹性分析方法：有限元法和CFD方法。
有限元法是目前应用领域最广、最成熟的结构分析方法之一。
它将一个复杂结构体分解为若干简单形状的有限元，在每个有限元上建立相应的微分方程，最终通过有限元组成整个结构体，在实现对结构体强度、刚度等方面的分析时卓有成效。
CFD方法（Computational Fluid Dynamics，计算流体力学）指通过计算机对流体流动过程进行建模，数值求解达到某种目的的一系列方法。
该方法已经集成到航空航天中的气动弹性分析工具中，并广泛应用于飞行器空气动力学分析、燃烧过程模拟等领域。
三、气动弹性分析应用案例气动弹性分析在实际应用中有很多重要的案例，下面将介绍三个案例：第一，气动弹性分析在飞行器设计中的应用；第二，气动弹性分析在飞行器降低噪音中的应用；第三，气动弹性分析在鸟类与飞机碰撞中的应用。
民用飞机气弹簧设计分析
展到极限程度。
图1某型民用飞机舱门结构示意根据周边结构的实际可安装空间情况确定使用两个气弹簧气弹簧的完全压缩力初步设计为门体重量的3倍左右,考虑摩擦力等将气弹簧的完全压缩力初步确定为300N。
下图为飞机航截面投影面,两侧气弹簧的安装相对于门体对称面所示点A为气弹簧与铰链臂连接点的位置需要确定气弹簧在机身上的安装点,根据门体本身尺寸考虑选取气弹簧安装尺寸为将气弹簧安装角度设定为与水平位置成12°,则确定出与机身相连接的安装点B,如下图点B所示。
图2气弹簧安装点位置的确定根据气弹簧及压缩气弹簧的设计标准,在气弹簧举力为300N将缸筒直径初步定为φ22mm,导杆直径为φ10mm。
门完全打开与完全关闭时角度为82度,此时A点转至A’点,则气弹簧长度伸展为A’B=318.171,参考下图3。
图3门完全关闭时气弹簧的伸展状态根据上面的分析初步确定气弹簧总长度为320mm,即设计行程为60mm。
根据此处铰链臂的结构形式,确定气弹簧的两端接头形式,舱门铰链臂连接处,在耳片与气弹簧之间安装球轴承;同样在支座和气弹簧之间也安装球轴承,如下图4所示。
图4初步设计结构形式在完成初步设计之后,通过CATIA的运动仿真功能,将初步设计的气弹簧与门体周边结构进行运动模拟,保证在舱门打开过程中,弹簧的运动不会受到卡滞,并选取运动过程中的若干个时间点进行投影运算分析力值情况,根据计算的结果对气弹簧的结构形式进行了进一步的优化,最终确认下来总长为235mm,运动行程长度为75mm。
图5最终设计结构形式(下转第152页93Science&Technology Vision科技视界辅导员应自觉承担相应的责任。
虑的可靠性分析给出了计算的方式和定量的要求。
能够看出一位诗人的性格特点!。
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民用飞机气弹簧设计分析-机械制造论文
民用飞机气弹簧设计分析
唐行微
（上海飞机设计研究院结构部，中国上海201210）
【摘要】气弹簧是性能可靠和安装方便的定制结构件，相对于民机上使用的传统机械弹簧单元在重量上具备优势。
本文介绍了气弹簧的组成结构和工作方式，通过民用飞机舱门设计中的工程实例简要描述了在民机舱门上气弹簧设计的方法，通过CATIA仿真来模拟气弹簧的安装及运行来优化气弹簧的各项基本参数，并且给出了民机气弹簧的可靠性计算标准。
关键词气弹簧；民机舱门；可靠性
0 前言
气弹簧是一种可以实现支撑、缓冲、制动、高度及角度调节等功能的零件，在工程机械中，主要应用于雷达罩、口盖、舱门等部位。
气弹簧主要由活塞杆、活塞、密封导向套、填充物、压力缸和接头等部分组成，在密闭的缸体内充入和外界大气压有一定压差的惰性气体或者油气混合物,进而利用在活塞杆横截面上的压力差完成气弹簧自由运动。
工作时，惰性气体、油液通过活塞上的阻尼孔时产生阻尼作用，控制气弹簧的运行速度，其运行速度相对缓慢、动态力变化不大。
在飞机结构舱门设计中经常使用弹簧作为机构功能实现的一部分单元，通常用于提供手柄回弹的回复力，机构运作的助力以及防止机构意外运动的过中心阻力。
其中用于提供助力和阻力的弹簧通常为压缩弹簧，舱门设计中通常采用传统机械弹簧，这种设计存在两方面的劣势：一是传统机械弹簧其材料通常为321固溶钢或者15-5PH不锈钢，在重量上需要付出一定代价，二是目前航空领域弹
簧制造主要通过辅助工具手工弯制，其实际力学性能通常与设计目标存在一定差异且不稳定。
气弹簧由于其安装方便，工作平稳，使用安全，成为汽车和机械制造等领域的标准配件。
相对于传统机械弹簧，定制气弹簧在确保满足设计需求和重量上具备明显的优势，舱门机构中使用的多处弹簧单元均可使用气弹簧来替代。
本文根据实际舱门的结构特点及气弹簧在舱门上的具体应用，对安装在舱门上的气弹簧的运动状态进行了分析和研究，给出了具体舱门气弹簧的设计步骤，同时对于民机舱门在使用条件及可靠性方面做了基本的分析。
1 工程实例
某型民用飞机设计舱门重量为8.39kg。
舱门重心与铰链臂中心转轴的距离为：360.367mm。
由于门体、铰链臂(门体进行开关运动的中心) 和气弹簧构成一个杠杆系统。
在门打开过程中，通过门体本身重力和气弹簧阻力的双重作用，控制门下降速度门在完全打开位置时，伸展到极限程度。
根据周边结构的实际可安装空间情况确定使用两个气弹簧，并将气弹簧的完全压缩力初步设计为门体重量的3 倍左右，考虑摩擦力等影响，将气弹簧的完全压缩力初步确定为300N。
下图为飞机航截面投影面，两侧气弹簧的安装相对于门体对称面为对称结构。
所示点A为气弹簧与铰链臂连接点的位置需要确定气弹簧在机身上的安装点，根据门体本身尺寸考虑选取气弹簧安装尺寸为260mm，将气弹簧安装角度设定为与水平位置成12°，则确定出与机身相连接的安装点B，如下图点B所示。
根据气弹簧及压缩气弹簧的设计标准，在气弹簧举力为300N时，将缸筒直径初步定为φ22mm，导杆直径为φ10mm。
门完全打开与完全关闭时角度为82度，此时A点转至A’点，则气弹簧长度伸展为A’B=318.171，参考下图3。
根据上面的分析初步确定气弹簧总长度为320mm，即设计行程为60mm。
根据此处铰链臂的结构形式，确定气弹簧的两端接头形式，与舱门铰链臂连接处，在耳片与气弹簧之间安装球轴承；同样在支座和气弹簧之间也安装球轴承，如下图4所示。
在完成初步设计之后，通过CATIA的运动仿真功能，将初步设计的气弹簧与门体周边结构进行运动模拟，保证在舱门打开过程中，气弹簧的运动不会受到卡滞，并选取运动过程中的若干个时间点进行投影运算分析力值情况，根据计算的结果对气弹簧的结构形式进行了进一步的优化，最终确认下来总长为235mm，运动行程长度为75mm。
2 气弹簧可靠性分析
民用飞机的可靠性分析要求在飞机研制阶段对各个系统可靠性进行定量的估计，根据历史产品可靠性数据、系统的构成和结构特点、系统的工作环境等因素估计系统的可靠性。
其主要用途为可以将预计结果与要求的可靠性指标相比较，从而评价设计要求提出的可靠性指标能否够达到，并进一步在设计中，发现影响系统可靠性的主要因素，采取改进措施，此外也为安全性评估提供定量计算的依据。
在本文中工程实例要求的气弹簧的失效概率必须低于1E-5，对于民机而言考虑的是其签派可靠性PCF。
PCF=QTYCZ×λCAD×TAF×DIFF
其中QTYCZ为组件数量，λCAD为组件Z导致签派中断的失效率，即组件所有可能的失效中，能导致签派中断的失效率，该值通过计算获得。
TAF为飞行和滑跑阶段的平均时间。
DIFF是飞行和滑跑阶段的签派中断因子，改质是通过统计和计算获得的。
λCAD=λC×FDD
其中λC表示单个组件的失效率，而FDD表示失效探测因子，这两个参数要求将气弹簧组件按照其组成形式分解成各个小零件，包括活塞杆、缸体，接头等部分，根据各个零件的不同分类确定其失效探测因子，并根绝各零件固有的失效数据，按上述公式计算，即可得到用于分析气弹簧组件可靠性的定量评估数据。
3 总结
本文介绍了气弹簧基本组成和工作原理,结合某型飞机舱门的工程实力通过研究气弹簧的运动范围和安装位置,通过计算和仿真的方式进行气弹簧的设计和选型。
同时对于气弹簧在民机上使用中需要考虑的可靠性分析给出了计算的方式和定量的要求。
对于气弹簧在民机上的设计和使用提供了参考。
参考文献
［１］方益奇.气弹簧的刚度计算与安装位置研究[J].机床与液压,2010(4):70-71.
［２］李亮辉.浅析工程机械用气弹簧的设计选型[J].工程机械,2013(6):37-38. ［３］温号,王小东.方舱舱门的气弹簧选型安装设计[J].专用汽车,2010(10):50-52.
［责任编辑：汤静］。