莊偉　邵元新　袁李斌

摘 要：文章以直升機(jī)油箱艙結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，使用RADIOSS對(duì)其抗墜毀性能進(jìn)行了仿真分析。首先介紹了RADIOSS的顯式動(dòng)力學(xué)計(jì)算方法。然后建立了油箱艙的有限元模型，模擬了其以17.3m/s的速度撞擊地面的全過程。根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)油箱艙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，得出了相關(guān)結(jié)論。

關(guān)鍵詞：直升機(jī)；油箱艙；抗墜毀；RADIOSS

中圖分類號(hào)：V215 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）20-0013-04

Abstract： In this paper， the structure of the helicopter fuel tank cabin is taken as the research object， and its anti-crash performance is simulated and analyzed using RADIOSS. Firstly， the explicit dynamics calculation method of RADIOSS is introduced. Then the finite element model of the tank is established， and the whole process of its impact on the ground with the velocity of 17.3 m/s is simulated. According to the simulation results， the tank structure is improved and compared with the test results， and the relevant conclusions are obtained.

Keywords： helicopter； fuel tank cabin； anti-crash radar； RADIOSS

1 概述

直升機(jī)是我們常見的航空飛行器，全世界目前大約有4萬多架直升機(jī)，直升機(jī)在很多領(lǐng)域均發(fā)揮著重要的作用。

隨著直升機(jī)技術(shù)的發(fā)展，各國對(duì)直升機(jī)的安全性設(shè)計(jì)也越來越重視。自20世紀(jì)70年代以來，無論是各國軍方還是國際航空設(shè)計(jì)規(guī)范都制訂了直升機(jī)抗墜毀設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)[1]。目前歐美諸國已經(jīng)把抗墜毀性能作為初始設(shè)計(jì)階段中與重量、載荷因子、疲勞壽命同等重要的關(guān)鍵問題來考慮[2]。

調(diào)查表明，墜機(jī)造成空勤人員傷亡的主要原因是沖擊對(duì)身體產(chǎn)生傷害和燃油系統(tǒng)破裂導(dǎo)致燃油泄漏引起的火災(zāi)。所以直升機(jī)燃油箱抗墜毀設(shè)計(jì)是直升機(jī)抗墜毀設(shè)計(jì)的重中之重。設(shè)計(jì)時(shí)要求燃油箱設(shè)置在遠(yuǎn)離乘員區(qū)以及因墜毀引起的結(jié)構(gòu)變形不能使油箱被刺穿，同時(shí)油箱的支撐結(jié)構(gòu)與油箱有足夠的連接強(qiáng)度以防止接頭脫落。油箱本身則要求由韌性好、塑性區(qū)長的耐墜撞材料（且具有阻燃性能）制成。

自20世紀(jì)60年代以來，國外開展了一系列抗墜毀研究計(jì)劃，取得了很多研究成果。國內(nèi)從80年代起，進(jìn)行了抗墜毀仿真的基礎(chǔ)性研究，積累了一點(diǎn)的技術(shù)基礎(chǔ)，但尚未建立起系統(tǒng)的抗墜毀仿真平臺(tái)，與國外還有較大差距。

70年代初，國外相繼開發(fā)了抗墜毀仿真軟件如KRASH、DYCAST等。伴隨著仿真技術(shù)的發(fā)展，采用高度非線性瞬態(tài)沖擊動(dòng)力學(xué)軟件（如DYTRAN、RADIOSS、CRASH等）模擬墜撞過程是直升機(jī)抗墜毀仿真技術(shù)的發(fā)展趨勢。本文采用大變形有限元分析軟件RADIOSS，利用顯示非線性分析，對(duì)某油箱艙結(jié)構(gòu)及油箱進(jìn)行抗墜毀計(jì)算分析，評(píng)估結(jié)構(gòu)及油箱的抗墜毀能力。

2 計(jì)算方法

整個(gè)墜撞過程采用顯式時(shí)間積分的方法。

采用U.L格式，利用虛功原理建立的非線性動(dòng)力學(xué)有限元控制方程為：

（1）

式中，M為質(zhì)量矩陣，C為阻尼矩陣，K為總體剛度矩陣，F(xiàn)ext為外力矢量，fc為接觸力矢量，x、■和■分別為位移矢量、速度矢量和加速度矢量。

為簡單起見，在式（1）中令Q=Fext+fc。

把總積分時(shí)間等分成若干步，每步間隔為？駐t，2？駐t，…n？駐t，（n+1）？駐t，…，則在某一時(shí)刻t，其速度和加速度分別為：

而在t時(shí)刻的有限元控制方程為：

（2）

將t時(shí)刻的速度和加速度代入式（2），則有：

（3）

如果xt-？駐t和xt已經(jīng)求得，則t+？駐t時(shí)刻的位移xt+？駐t可以由上式解出，也即上式是求各個(gè)離散時(shí)間點(diǎn)處解的積分遞推公式。由于在t+？駐t時(shí)刻用的是t時(shí)刻的控制方程，K矩陣不出現(xiàn)在上述遞推公式的右端，所以這種過程被稱為顯示積分算法。

3 有限元模型及相關(guān)參數(shù)

油箱艙有限元模型主要由以下部件組成：框、縱梁、地板、側(cè)蒙皮、底部蒙皮、油箱底板、油箱平臺(tái)、緩沖泡沫、油箱、燃油和剛性墻。

3.1 材料與屬性

鈑金和機(jī)加結(jié)構(gòu)由P1_SHELL單元模擬；復(fù)合材料層壓板由P11_SH_SANDW單元模擬；對(duì)于蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，將上面板、下面板和蜂窩分別用shell單元和solid單元建模，并采用共節(jié)點(diǎn)的方式，其中蜂窩由P14_SOLID單元模擬；油箱與結(jié)構(gòu)之間使用泡沫作為緩沖，泡沫由P14_SOLID單元模擬；各結(jié)構(gòu)件之間通過connector-spot（type2-spring）進(jìn)行連接；燃油使用SPH粒子進(jìn)行模擬；地面由P1_SHELL單元模擬，并定義為剛體，不產(chǎn)生任何變形。

金屬材料的本構(gòu)關(guān)系均使用M2_PLAS_JOHNS_ZERIL，即彈塑性材料，這種材料構(gòu)型是自帶失效準(zhǔn)則的，只需在材料參數(shù)里面輸入相應(yīng)的失效判定參數(shù)即可（失效塑性應(yīng)變？著■■，塑性最大應(yīng)力？滓max0），當(dāng)計(jì)算時(shí)單元的應(yīng)力或應(yīng)變達(dá)到失效應(yīng)力或應(yīng)變時(shí)，單元即被判定失效并從模型中刪除。

復(fù)合材料層壓板的本構(gòu)關(guān)系使用M25_COMPSH；蜂窩的本構(gòu)關(guān)系使用M28_HONEYCOMB；泡沫的本構(gòu)關(guān)系使用M33_FOAM_PLAS；油箱的本構(gòu)關(guān)系使用M36_PLAS_TAB。

部分材料力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。

表1 部分材料力學(xué)性能參數(shù)

3.2 載荷及邊界條件

整個(gè)油箱艙的所有節(jié)點(diǎn)均施加-17.3m/s的初始速度和-9.8m/s2的加速度，地面約束xyz三個(gè)方向的平動(dòng)自由度。

3.3 接觸的定義

整個(gè)模型共定義了3個(gè)接觸對(duì)，分別是油箱艙與地面的接觸；燃油SPH粒子與油箱的接觸；所有結(jié)構(gòu)之間的自接觸。3個(gè)接觸類型均使用type7，接觸面的最小間隙（GAPmin）均定義為0.5mm。

3.4 計(jì)算使用單位

本模型中使用的基本單位為：

時(shí)間：ms 長度：mm 質(zhì)量：kg

4 具體計(jì)算及分析

有限元模型模擬的是油箱艙垂直墜地的情況，即直升機(jī)總體坐標(biāo)系的XY平面與地面之間的夾角為0°。

為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，使油箱艙較快與地面發(fā)生碰撞，油箱艙與地面的距離設(shè)定為20mm。

4.1 結(jié)構(gòu)改進(jìn)前的計(jì)算結(jié)果

油箱艙在時(shí)刻1.252ms與地面發(fā)生碰撞。在時(shí)刻13.0ms，框已經(jīng)發(fā)生了較大破壞。通過分析，是因?yàn)榭v梁與框連接的角材發(fā)生了較大變形（圖1），由于角材與框接觸，將較大的接觸力施加到框上，導(dǎo)致框局部單元發(fā)生失效從而導(dǎo)致剛度急劇下降（圖2），最終在油壓載荷的作用下從蜂窩區(qū)與層壓板區(qū)的連接處撕裂（圖3）。

由于框的過早破壞，結(jié)構(gòu)在框處形成突破口，導(dǎo)致抗墜毀主承力構(gòu)件底部縱梁最終并沒有產(chǎn)生太大變形（圖4），沒有達(dá)到設(shè)計(jì)目的。

圖1 縱梁與框連接的角材

圖2 框失效單元

圖3 框撕裂示意圖

4.2 結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的計(jì)算結(jié)果

雖然油箱艙抗墜毀僅要求油箱不發(fā)生破壞（油不發(fā)生泄漏），對(duì)結(jié)構(gòu)是否發(fā)生破壞并未作要求（事實(shí)上大部分油箱艙抗墜毀試驗(yàn)結(jié)構(gòu)都會(huì)發(fā)生不同程度的破壞）。但是如果結(jié)構(gòu)發(fā)生大的變形及破壞，則有很高的風(fēng)險(xiǎn)刺穿油箱。為了避免這種情況發(fā)生，通過對(duì)局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，以少量重量代價(jià)降低結(jié)構(gòu)的變形是很有必要的。在此模型中，通過增大縱梁與框連接角材的局部厚度，增大其抗彎剛度，降低其自身的變形來達(dá)到改進(jìn)結(jié)構(gòu)的目的。

重新計(jì)算后，圖2中的失效單元并未發(fā)生失效，達(dá)到了改進(jìn)設(shè)計(jì)的目的，但是框的蜂窩單元卻過早被判定失效（圖2）。通過分析，發(fā)生是因?yàn)楫嬀W(wǎng)格時(shí)在蜂窩厚度方向上劃分了兩個(gè)單元導(dǎo)致的。由于厚度方向劃分了兩個(gè)單元（實(shí)際結(jié)構(gòu)蜂窩在厚度方向上是一個(gè)完整結(jié)構(gòu)），蜂窩受剪時(shí)的切應(yīng)變直接提高了一倍，直接導(dǎo)致蜂窩被過早判定失效。為了解決這個(gè)問題，對(duì)有限元模型重新劃分網(wǎng)格，將蜂窩厚度方向上的單元數(shù)量改為一個(gè)。

4.3 最終模型的計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過前兩次的調(diào)整，最終模型的計(jì)算結(jié)果如圖5所示?？梢钥吹剑蛟谂鲎步Y(jié)束時(shí)并未發(fā)生大的破壞。而底部縱梁則產(chǎn)生了極大的變形（圖6），這表明底部縱梁很好的吸收了碰撞的動(dòng)能。

圖5 最終模型結(jié)構(gòu)變形

圖6 最終模型底部縱梁變形

整個(gè)系統(tǒng)的能量變化如圖7所示?？梢钥吹?，接觸能最大為25000J；初始動(dòng)能為2.117E+05J，在時(shí)刻30ms，動(dòng)能降至最低值并趨于穩(wěn)定，為7060J；系統(tǒng)初始內(nèi)能為0，在時(shí)刻30ms，內(nèi)能達(dá)到最大值并趨于穩(wěn)定，為1.727E+05J。

整個(gè)系統(tǒng)的速度變化如圖8所示?？梢钥吹剑跁r(shí)刻22ms，速度由負(fù)值變化為正值，也即結(jié)構(gòu)發(fā)生回彈。

通過能量變化曲線我們可以看到，在時(shí)刻30ms，碰撞已基本結(jié)束，絕大部分動(dòng)能都轉(zhuǎn)化成了結(jié)構(gòu)的應(yīng)變能，結(jié)構(gòu)的吸能效果很好并且自身并未發(fā)生大的破壞。油箱本體及其連接未發(fā)生破壞，油箱沒有發(fā)生泄漏，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 系統(tǒng)能量變化

圖8 系統(tǒng)速度變化

4.4 與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

試驗(yàn)件變形如圖9所示。

圖9 試驗(yàn)件變形

從圖9可以看出，底部縱梁幾乎被壓塌，框并未發(fā)生大的破壞，有限元仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，仿真精度較高。

5 結(jié)束語

通過建模、計(jì)算分析以及不同模型之間的對(duì)比，我們可以得出以下結(jié)論：

有限元仿真的精度與很多因素相關(guān)，網(wǎng)格大小、單元屬性的填寫、接觸參數(shù)的填寫都是十分重要的。對(duì)于碰撞仿真來說，由于涉及到單元失效的判定，因此材料參數(shù)尤其是失效參數(shù)的填寫至關(guān)重要，失效參數(shù)填寫的不恰當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致單元提前或延遲判定失效。由于單元在被判定失效之后會(huì)被求解器從模型中刪除，而只要有一兩個(gè)單元被刪除，局部結(jié)構(gòu)就會(huì)從完整結(jié)構(gòu)變成有缺口的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)剛度下降很大，而整個(gè)結(jié)構(gòu)則很容易從缺口處發(fā)生破壞，因此失效參數(shù)的填寫會(huì)對(duì)仿真結(jié)果的精確度產(chǎn)生很大的影響。

單元網(wǎng)格的大小也會(huì)對(duì)有限元仿真的精度產(chǎn)生很大影響。與靜力分析不同的是，在碰撞分析中，網(wǎng)格并不是越細(xì)越好（即使不考慮對(duì)計(jì)算時(shí)間的影響），更重要的是不能出現(xiàn)長寬比過大的單元，而這同樣與失效判定相關(guān)。長寬比過大的單元在受剪時(shí)容易產(chǎn)生較大的切應(yīng)變（相比長寬比接近1：1的單元而言），這很容易導(dǎo)致其提前判定失效，產(chǎn)生與真實(shí)情況嚴(yán)重不符的仿真結(jié)果。

油箱艙抗墜毀主要由底部構(gòu)件吸收墜撞能量，尤其是底部縱梁。底部縱梁的高度是決定油箱艙抗墜毀性能的關(guān)鍵因素之一。理論上高度越高、腹板越厚（即抗彎模量越高）的縱梁吸能效果越好。當(dāng)然，對(duì)于高度較高的縱梁，需要在腹板上增加立筋以防止腹板在墜撞過程中提前失穩(wěn)。

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