探研飛機(jī)碰撞的實(shí)驗(yàn)方法

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1簡介

沒有整合到中的程序通過接口參數(shù)也可以與之取得通信，這個插件可以使外部程序獲得功能。在這個具有創(chuàng)新性的軟件框架中，工程師可以獲得整個仿真技術(shù)范圍內(nèi)的所有功能，包括CAD集成通用工具、幾何修改及建立網(wǎng)格。另外，穩(wěn)定的參數(shù)化建模環(huán)境連同設(shè)計(jì)優(yōu)化和統(tǒng)計(jì)研究的整合工具，也可以使工程師們獲得較高的設(shè)計(jì)效率。ANSYS12.0版本以后在顯式動力學(xué)領(lǐng)域起到了很大的作用，它的顯式動力學(xué)產(chǎn)品有3個模塊，ANSYSLS-DYNA是一個單獨(dú)的程序，只能在Workbench下完成前處理工作；ANSYSAUTODYN是集成于Workbench下的顯式動力學(xué)軟件，提供了全面的多解決方案的模塊產(chǎn)品，具有先進(jìn)數(shù)值方法的非線性動力學(xué)軟件；ANSYSExplicitSTR是基于ANSYSAUTODYN產(chǎn)品的拉氏算子部分，是界面第一個本地顯示軟件，該技術(shù)可用于滿足固體、流體、氣體，及它們之間相互作用的非線性動力學(xué)仿真，對已有Workbench環(huán)境使用經(jīng)驗(yàn)的用戶，該軟件有更好的適用性，所以本文采用這個模塊進(jìn)行動力學(xué)分析。

2有限元分析模型

2.1幾何模型創(chuàng)建

風(fēng)擋玻璃為圓弧風(fēng)擋玻璃，長760mm，后部高度500mm，后部最大跨度為800mm，厚度為16mm，由CATIA軟件構(gòu)建的該機(jī)前風(fēng)擋玻璃幾何模型所示。鳥體有限元幾何模型取兩端帶半球帽、中間為圓柱體的實(shí)體來模擬，按照國軍標(biāo)要求，選取球體的內(nèi)半徑為0.053m，中間圓弧長0.1418m，定義鳥體密度為900kg/m3左右時，鳥體質(zhì)量大約為1.8kg，通過CATIA建立的鳥體模型。

2.2幾何模型導(dǎo)入

首先，建立IGES格式模型文件，在CATIA中執(zhí)行“文件”“另存為”命令，彈出保存副本對話框，選擇模型格式為IGES，單擊OK按鈕。然后，打開軟件，在輸入幾何模型的選項(xiàng)中，選擇輸入模型格式為IGES，并選擇打開已建立好的模型即可。不僅可以導(dǎo)入標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)文件中的模型，還提供了與眾多主流CAD軟件的直接接口，本文采用的導(dǎo)入方法是標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)模型文件導(dǎo)入方法。

2.3單元選取及材料定義

對于風(fēng)擋玻璃選擇Solid單元，該單元可以承受面內(nèi)的彎曲和剪切作用，而骨架的作用則通過邊界條件處理來模擬。根據(jù)鳥撞特點(diǎn)，在撞擊區(qū)附近的位移和應(yīng)力變化劇烈，而遠(yuǎn)離區(qū)的位移和應(yīng)力趨于平緩，因此網(wǎng)格劃分時在撞擊區(qū)附近劃分密些，其風(fēng)擋玻璃網(wǎng)格劃分。風(fēng)擋玻璃模型共有793個節(jié)點(diǎn)，736個節(jié)點(diǎn)殼元，其殼元厚度16mm。根據(jù)航空有機(jī)玻璃材料特點(diǎn)，本文選用材料模型來模擬。根據(jù)鳥撞擊的物理過程研究表明：鳥撞擊過程可以描述成一個非恒定的流體動力學(xué)過程，當(dāng)鳥以大于50m/s的速度撞擊剛性靶體時，因鳥體撞擊而產(chǎn)生的巨大應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過鳥體材料的屈服極限，致使鳥體發(fā)生流變，因而鳥撞也稱之為軟體撞擊。由擊過程中鳥體具有大變形和流變的特征，如何有效地模擬鳥體一直是耦合解法的難題。對于鳥體前可以采用流體元或固體元進(jìn)行模擬，許多研究表明，采用流體元模擬鳥體發(fā)現(xiàn)所獲得的靶體位移和應(yīng)力偏小，因此采用固體元方法模擬比較合理。鳥體模型采用彈塑性模型進(jìn)行建立，選取鳥體密度為938kg/m3，彈性模量為68.9MPa，泊松比為0.49，對鳥體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，鳥體模型共有2422個節(jié)點(diǎn)，11888個節(jié)點(diǎn)殼元。

2.4局部坐標(biāo)系建立及邊界約束確定

建模時選取默認(rèn)的坐標(biāo)系，即沿飛機(jī)航向?yàn)閅軸，指向左機(jī)翼為X軸，垂直向?yàn)閆軸。在對風(fēng)擋玻璃的邊界進(jìn)行約束時，由于骨架和側(cè)面支座為風(fēng)擋主要承力結(jié)構(gòu)，其截面幾何彎扭剛度很大，材料彈性模量

約為有機(jī)玻璃的20倍，骨架對玻璃有足夠的約束剛度，故對與骨架相連的各節(jié)點(diǎn)和側(cè)面支座節(jié)點(diǎn)賦予固支約束。

2.5破壞準(zhǔn)則

由于風(fēng)擋玻璃整體外形近似于殼體，當(dāng)受作用時，沿殼體法向會產(chǎn)生較大的變形，所以風(fēng)擋玻璃是否破壞的依據(jù)可根據(jù)其應(yīng)變值ε是否達(dá)到失效應(yīng)變εb，其表達(dá)式為ε≥εb。同時也可以考慮最大主應(yīng)力失效模式，取σmax=σb=78MPa，在高速碰撞條件下，材料動態(tài)破壞應(yīng)力往往大于靜態(tài)下的破壞應(yīng)力σb，某些學(xué)者曾對普通玻璃進(jìn)行了應(yīng)變速率從10-3～103min-1范圍內(nèi)的斷裂強(qiáng)度試驗(yàn)測試可看出風(fēng)擋玻璃的動態(tài)強(qiáng)度是靜態(tài)強(qiáng)度的2倍或更高。由于飛機(jī)風(fēng)擋玻璃的強(qiáng)度分散性較大，故風(fēng)擋玻璃的強(qiáng)度安全系數(shù)取值也應(yīng)大一些，本文取其安全系數(shù)為2，這樣仍可視σb=78MPa近似為風(fēng)擋玻璃的破壞應(yīng)力，由最大應(yīng)力準(zhǔn)則可知，當(dāng)單元最大主應(yīng)力達(dá)到失效強(qiáng)度時材料失效。

3計(jì)算結(jié)果及結(jié)論

為撞擊3.5ms后風(fēng)擋玻璃應(yīng)力云圖，為風(fēng)擋玻璃變形云圖。從應(yīng)力圖中可以看出，鳥撞的區(qū)域應(yīng)力最大，應(yīng)力達(dá)到最大值時，外表面處于壓應(yīng)力狀態(tài)，內(nèi)表面處于拉應(yīng)力狀態(tài)。在飛機(jī)風(fēng)擋研制階段，曾對某鑄造改性丙烯酸酯風(fēng)擋玻璃（即K8風(fēng)擋）厚度取16mm時，進(jìn)行了不同鳥體質(zhì)量和鳥體速度下的鳥撞實(shí)驗(yàn)，得出大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。本文通過調(diào)整鳥體質(zhì)量和鳥體速度進(jìn)行模擬仿真，得出最大應(yīng)力值與應(yīng)變值，通過所建立的破壞準(zhǔn)則，確定風(fēng)擋玻璃的計(jì)算結(jié)果，并將計(jì)算結(jié)果與該實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。由于所建立的有限元鳥撞模型結(jié)構(gòu)外形參數(shù)、材料參數(shù)、邊界條件以及所建立的破壞準(zhǔn)則與實(shí)驗(yàn)情況基本一致。所以從表2中可看出，本文計(jì)算出的風(fēng)擋玻璃破壞情況結(jié)果與其實(shí)驗(yàn)結(jié)果是相吻合的，說明本文所采用的軟件和理論方法而建立的模型仿真是可行的，對飛機(jī)風(fēng)擋玻璃設(shè)計(jì)與改型、減少物理實(shí)驗(yàn)及降低成本等具有一定參考價值和實(shí)際意義。

作者：張樂迪張顯余單位：空軍航空大學(xué)