0 引言
貨臺(tái)空投系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題之一，就是要解決貨臺(tái)著陸時(shí)由于速度的突然改變產(chǎn)生的沖擊力給結(jié)構(gòu)造成過(guò)載和著陸期間的損傷。最常用的減速方法是應(yīng)用降落傘為貨臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行減速，但是在貨臺(tái)接地之前垂直速度不可能完全耗散，因此必須輔以地面緩沖裝置去吸收剩余能量。地面緩沖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要依據(jù)貨臺(tái)允許的著陸過(guò)載、下降速度、結(jié)構(gòu)形式、地面條件以及著陸特性與以上各參數(shù)之間的關(guān)系等。
本文基于貨臺(tái)系統(tǒng)有限元模型，對(duì)貨臺(tái)系統(tǒng)著陸緩沖過(guò)程進(jìn)行模擬，分析貨臺(tái)系統(tǒng)著陸緩沖過(guò)程中系統(tǒng)狀態(tài)對(duì)貨臺(tái)垂直著陸峰值加速度的影響規(guī)律。貨臺(tái)系統(tǒng)著陸狀態(tài)包括：垂直著陸速度、水平縱向速度、水平橫向速度、貨臺(tái)縱向姿態(tài)角以及貨臺(tái)橫向姿態(tài)角。采用部分析因試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)少量的試驗(yàn)，對(duì)各影響因素進(jìn)行靈敏度分析，確定出各影響因素的主次順序，為下一步細(xì)致分析主要影響因素與試驗(yàn)考核指標(biāo)的關(guān)系奠定基礎(chǔ)。
1 部分析因試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法
1.1 Hyperstudy介紹
Hyperstudy是Altair Hyperworks軟件包中的一款主要產(chǎn)品，它主要用于CAE環(huán)境下DOE（試驗(yàn)設(shè)計(jì)）、優(yōu)化及隨機(jī)分析研究，可與各種外部求解器（如Abaqus，Radioss，Ansys等）合并使用。Hyperstudy中提供的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法有全因子設(shè)計(jì)、部分析因(Fractional Factorial)設(shè)計(jì)、中心組合設(shè)計(jì)以及拉丁方設(shè)計(jì)等。
1.2 部分析因試驗(yàn)設(shè)計(jì)
完全析因試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是可以考慮所有可能的試驗(yàn)條件組合，但是其缺點(diǎn)也是明顯的，即隨著參數(shù)個(gè)數(shù)k的增大，需要作的試驗(yàn)次數(shù)成倍增多。實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明，僅進(jìn)行完全析因試驗(yàn)所要求的一部分試驗(yàn)便可以得到主效應(yīng)和低階相互作用，這類試驗(yàn)稱為部分析因試驗(yàn)。很明顯，應(yīng)用部分析因試驗(yàn)設(shè)計(jì)可以降低成本、節(jié)省時(shí)間。所以，這類試驗(yàn)在工業(yè)中得到了較廣泛的應(yīng)用。
2 峰值加速度影響因素靈敏度分析試驗(yàn)設(shè)計(jì)
2.1 貨臺(tái)系統(tǒng)有限元模型
運(yùn)用Hypermesh建立貨臺(tái)及氣囊系統(tǒng)模型，如下圖1所示。由圖1中坐標(biāo)系統(tǒng)設(shè)置為：X軸表示系統(tǒng)寬度方向，Y軸表示系統(tǒng)高度方向，Z軸表示系統(tǒng)長(zhǎng)度方向。
圖1貨臺(tái)空投系統(tǒng)有限元模型
2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
(1)試驗(yàn)?zāi)康模和ㄟ^(guò)試驗(yàn)，尋找對(duì)貨臺(tái)空投垂直著陸峰值加速度影響因素的主次關(guān)系。
(2)試驗(yàn)指標(biāo)：貨臺(tái)垂直峰值加速度。
(3)因素：其中固定因素為貨臺(tái)重量、緩沖氣囊參數(shù)以及地面參數(shù)等，需研究的因素及其相應(yīng)的水平如表1所示。
表1 因素水平表
根據(jù)貨臺(tái)系統(tǒng)模型中坐標(biāo)系的定義可知，垂直著陸速度、水平縱向速度和水平橫向速度三個(gè)因素分別為貨臺(tái)下落速度在Y軸、Z軸和X軸方向上的速度分量。縱向姿態(tài)角和橫向姿態(tài)角分別表示貨臺(tái)系統(tǒng)繞X軸和Z軸的擺角。
(4)試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果分析：運(yùn)用Hyperstudy生成的試驗(yàn)方案如表2所示。調(diào)用Radioss軟件進(jìn)行求解，并將求解得到的結(jié)果填入表中。
表2 試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果
3 試驗(yàn)結(jié)果及分析
3.1 試驗(yàn)結(jié)果
本文基于某貨臺(tái)氣囊系統(tǒng)，采用有限元方法模擬貨臺(tái)系統(tǒng)著陸緩沖過(guò)程。根據(jù)表2中試驗(yàn)方案調(diào)整貨臺(tái)著陸速度及姿態(tài)，得到試驗(yàn)2的著陸條件下的貨臺(tái)質(zhì)心加速度一時(shí)間歷程如圖2所示。由圖可見(jiàn)加速度是一隨時(shí)間變化的量，波形寬度為沖擊持續(xù)時(shí)間，波形最高點(diǎn)為垂直峰值加速度，即為試驗(yàn)設(shè)計(jì)指標(biāo)。
圖2 貨臺(tái)質(zhì)心加速度曲線
根據(jù)試驗(yàn)方案調(diào)整系統(tǒng)有限元模型著陸速度及姿態(tài)，進(jìn)行有限元模擬計(jì)算。得到貨臺(tái)著陸過(guò)程中質(zhì)心加速度曲線，并將垂直峰值加速度填入表2中。
3.2 結(jié)果分析
采用極差分析法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果（表2）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分析結(jié)果如表3所示，根據(jù)表3作各因素對(duì)貨臺(tái)峰值加速度影響的效應(yīng)曲線如圖3所示。從圖3中可以看出，峰值加速度隨垂直著陸速度、水平縱向速度和水平橫向速度的增加而增加，隨縱向姿態(tài)角和橫向姿態(tài)角的增加而略微降低。
對(duì)16組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，并進(jìn)行歸一化參數(shù)靈敏度分析，分析結(jié)果如圖4所示。由表3，圖3，圖4可以看出，影響貨臺(tái)峰值加速度的5個(gè)因素的靈敏度由大到小依次為：垂直著陸速度、水平橫向速度、水平縱向速度、橫向姿態(tài)角、縱向姿態(tài)角。表3中列出了所有交互作用中影響最大的4個(gè)交互作用，由大到小排列依次為AxB，AxE，CxE，AxC。
表3 試驗(yàn)結(jié)果極差分析
圖3 主效應(yīng)曲線
圖4 方差分析結(jié)果
4 結(jié)論
運(yùn)用有限元方法對(duì)貨臺(tái)系統(tǒng)空投過(guò)程進(jìn)行模擬，采用Hyperstudy進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，將貨臺(tái)垂直著陸峰值加速度作為試驗(yàn)設(shè)計(jì)指標(biāo)，分析各因素對(duì)貨臺(tái)峰值加速度影響的靈敏度。試驗(yàn)結(jié)果表明：
(1)峰值加速度隨垂直著陸速度、水平縱向速度和水平橫向速度的增加而增加，隨縱向姿態(tài)角和橫向姿態(tài)角的增加而略微降低。峰值加速度主要與垂直著陸速度相關(guān)，而水平速度對(duì)峰值加速度的影響較小。此結(jié)果與文獻(xiàn)1中試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。
(2)影響貨臺(tái)峰值沖擊加速度的5個(gè)因素的靈敏度由大到小依次為：垂直著陸速度、水平橫向速度、水平縱向速度、橫向姿態(tài)角、縱向姿態(tài)角。
(3)部分析因試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法用于貨臺(tái)峰值加速度影響因素靈敏度分析，綜合考慮了影響峰值加速度的多種因素及其交互作用。通過(guò)試驗(yàn)確定影響峰值加速度的最敏感或較敏感因素，從而使貨臺(tái)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更有針對(duì)性。根據(jù)本文結(jié)果，通過(guò)控制貨臺(tái)垂直著陸速度，可以有效地控制貨臺(tái)峰值加速度，為貨臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。
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本文標(biāo)題：基于Hyperstudy的貨臺(tái)空投影響因素靈敏度分析
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