0 引言
货台空投系统的关键问题之一，就是要解决货台着陆时由于速度的突然改变产生的冲击力给结构造成过载和着陆期间的损伤。最常用的减速方法是应用降落伞为货台系统进行减速，但是在货台接地之前垂直速度不可能完全耗散，因此必须辅以地面缓冲装置去吸收剩余能量。地面缓冲系统的设计主要依据货台允许的着陆过载、下降速度、结构形式、地面条件以及着陆特性与以上各参数之间的关系等。
本文基于货台系统有限元模型，对货台系统着陆缓冲过程进行模拟，分析货台系统着陆缓冲过程中系统状态对货台垂直着陆峰值加速度的影响规律。货台系统着陆状态包括：垂直着陆速度、水平纵向速度、水平横向速度、货台纵向姿态角以及货台横向姿态角。采用部分析因试验设计方法设计少量的试验，对各影响因素进行灵敏度分析，确定出各影响因素的主次顺序，为下一步细致分析主要影响因素与试验考核指标的关系奠定基础。
1 部分析因试验设计方法
1.1 Hyperstudy介绍
Hyperstudy是Altair Hyperworks软件包中的一款主要产品，它主要用于CAE环境下DOE（试验设计）、优化及随机分析研究，可与各种外部求解器（如Abaqus，Radioss，Ansys等）合并使用。Hyperstudy中提供的试验设计方法有全因子设计、部分析因(Fractional Factorial)设计、中心组合设计以及拉丁方设计等。
1.2 部分析因试验设计
完全析因试验的优点是可以考虑所有可能的试验条件组合，但是其缺点也是明显的，即随着参数个数k的增大，需要作的试验次数成倍增多。实际经验表明，仅进行完全析因试验所要求的一部分试验便可以得到主效应和低阶相互作用，这类试验称为部分析因试验。很明显，应用部分析因试验设计可以降低成本、节省时间。所以，这类试验在工业中得到了较广泛的应用。
2 峰值加速度影响因素灵敏度分析试验设计
2.1 货台系统有限元模型
运用Hypermesh建立货台及气囊系统模型，如下图1所示。由图1中坐标系统设置为：X轴表示系统宽度方向，Y轴表示系统高度方向，Z轴表示系统长度方向。
图1货台空投系统有限元模型
2.2 试验设计
(1)试验目的：通过试验，寻找对货台空投垂直着陆峰值加速度影响因素的主次关系。
(2)试验指标：货台垂直峰值加速度。
(3)因素：其中固定因素为货台重量、缓冲气囊参数以及地面参数等，需研究的因素及其相应的水平如表1所示。
表1 因素水平表
根据货台系统模型中坐标系的定义可知，垂直着陆速度、水平纵向速度和水平横向速度三个因素分别为货台下落速度在Y轴、Z轴和X轴方向上的速度分量。纵向姿态角和横向姿态角分别表示货台系统绕X轴和Z轴的摆角。
(4)试验方案及试验结果分析：运用Hyperstudy生成的试验方案如表2所示。调用Radioss软件进行求解，并将求解得到的结果填入表中。
表2 试验方案及试验结果
3 试验结果及分析
3.1 试验结果
本文基于某货台气囊系统，采用有限元方法模拟货台系统着陆缓冲过程。根据表2中试验方案调整货台着陆速度及姿态，得到试验2的着陆条件下的货台质心加速度一时间历程如图2所示。由图可见加速度是一随时间变化的量，波形宽度为冲击持续时间，波形最高点为垂直峰值加速度，即为试验设计指标。
图2 货台质心加速度曲线
根据试验方案调整系统有限元模型着陆速度及姿态，进行有限元模拟计算。得到货台着陆过程中质心加速度曲线，并将垂直峰值加速度填入表2中。
3.2 结果分析
采用极差分析法对试验结果（表2）进行统计分析，分析结果如表3所示，根据表3作各因素对货台峰值加速度影响的效应曲线如图3所示。从图3中可以看出，峰值加速度随垂直着陆速度、水平纵向速度和水平横向速度的增加而增加，随纵向姿态角和横向姿态角的增加而略微降低。
对16组试验数据进行多项式拟合，并进行归一化参数灵敏度分析，分析结果如图4所示。由表3，图3，图4可以看出，影响货台峰值加速度的5个因素的灵敏度由大到小依次为：垂直着陆速度、水平横向速度、水平纵向速度、横向姿态角、纵向姿态角。表3中列出了所有交互作用中影响最大的4个交互作用，由大到小排列依次为AxB，AxE，CxE，AxC。
表3 试验结果极差分析
图3 主效应曲线
图4 方差分析结果
4 结论
运用有限元方法对货台系统空投过程进行模拟，采用Hyperstudy进行试验设计，将货台垂直着陆峰值加速度作为试验设计指标，分析各因素对货台峰值加速度影响的灵敏度。试验结果表明：
(1)峰值加速度随垂直着陆速度、水平纵向速度和水平横向速度的增加而增加，随纵向姿态角和横向姿态角的增加而略微降低。峰值加速度主要与垂直着陆速度相关，而水平速度对峰值加速度的影响较小。此结果与文献1中试验结果基本吻合。
(2)影响货台峰值冲击加速度的5个因素的灵敏度由大到小依次为：垂直着陆速度、水平横向速度、水平纵向速度、横向姿态角、纵向姿态角。
(3)部分析因试验设计方法用于货台峰值加速度影响因素灵敏度分析，综合考虑了影响峰值加速度的多种因素及其交互作用。通过试验确定影响峰值加速度的最敏感或较敏感因素，从而使货台系统的设计更有针对性。根据本文结果，通过控制货台垂直着陆速度，可以有效地控制货台峰值加速度，为货台系统设计提供理论依据。
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