某型飞机口盖撞击问题研究.pdf

专题研究某型飞机口盖撞击问题研究胡益富,黄晓霞,夏佳丽,黎永平(航空工业洪都,江西南昌,330 0 2 4)摘要：某小型无人飞机在降落回收时，通过锁体爆炸实现降落伞与飞机分离，但锁体将直接砸向飞机。飞机背部油箱口盖采用全复合材料泡沫夹芯结构，其遭受冲击可能导致油箱破损漏油，将严重威胁飞机正常使用。为解决该问题，采用有限元软件MSC.Dytarn对现有口盖方案以及多个优化方案进行仿真分析，通过对比分析结果，成功改进了结构方案。关键词：MSC.Dytarn；低速冲击；复合材料；有限元Study on Access Cover Impact Problem of a Certain AircraftHu Yifu,Huang Xiaoxia,Xia Jiali,Li Yongping(AVIC HONGDU,Nanchang,Jiangxi,330024)Abstract:During the landing and recovery process of a small UAV,the parachute is separated from theUAV through a lock explosion,but the lock would directly go toward the aircraft.The fuel tank access coveron the back of the UAV is made of all composite foam sandwich structure.The impact may lead to fuel tankdamage and leakage,which will seriously threaten the normal use of the UAV.To solve this problem,the fi-nite element software MSC.Dytarn is used to simulate and analyze the existing access cover scheme and themultiple optimization schemes.By comparing the analysis results,the structural scheme is successfully im-proved.Key words:MSC.Dytarn;Low-speed impact;Composite material;Finite element设计中考虑复合材料低速冲击损伤问题，提高结构的0引言抗低速冲击损伤性能就变得非常重要。某小型无人飞机在降落回收接触地面时，飞机顶部复合材料冲击损伤一般分为层内损伤和层间损的降落伞锁体爆炸将降落伞与飞机分离，与机体连接伤，基于这一点发展出不同的损伤预测模型。一侧的锁体将直接砸向飞机机身背部中段。机身中段层内损伤的分析采用基于传统应力强度理论的为油箱，背部油箱口盖采用全复合材料，口盖遭受冲预测模型 2 。该模型是以材料内部某点处的应力水平击可能导致油箱破损漏油，将严重威胁飞机正常使用。或一定区域的平均应力水平作为失效准则来判定损复合材料结构在受到外来物冲击，特别是低速冲伤的产生。由于复合材料损伤破坏机理十分复杂，失击时，极易产生各种内部损伤破坏，削弱了复合材料效准则往往不具有普遍适用性，因此出现了大量的失性能。万玉敏 1 采用实验的手段得出泡沫夹层复合材效准则,如最大应力失效准则、修正的Tsai一wu失效料抗冲击能力比复合材料层合板好的结论，但冲击问准则、Hashin失效准则、Chang-Chang失效准则等。题已成为复合材料发展的主要技术障碍。因此在结构层间损伤的分析基于损伤仅在纤维铺设角度不作者简介：胡益富，男，19 8 7 年12 月出生，硕士，工程师。教练机2 0 2 3.NO.251教练机TRA/NERAVIC同的两相邻子层之间的界面处产生、扩展。因此，在可2.1+3能发生分层的子层间引入一层厚度极薄界面单元，通012式中：T=S过界面单元的失效破坏，可以真实有效地模拟预测分层损伤的产生及其扩展过程 3。各种损伤模式可能单独或结合在一起发生，众多的损伤破坏因素，给实验研究带来了很大的困难。因此，借助仿真分析软件可以加快产品设计，降低实验成本 4-7 。本文将采用被广泛使用的瞬态动力学仿真分析软件MSC.Dytran对油箱口盖进行冲击动力学仿真，前处理软件采用MSC.Patran软件，不考虑层间破坏，复合材料面板损伤失效采用Chang-Chang准则。1油箱口盖低速冲击分析降落伞与机体连接一侧的锁体重量为16 3.3g，依据降落伞分离高度、爆炸能量换算，相当于锁体从5m高处跌落，即与口盖的撞击速度为9.8 2 m/s。口盖及锁体结构形式如图1所示。分离锁体图1复合材料泡沫夹芯口盖结构简图1.1模型建立口盖为复合材料泡沫夹芯结构形式，理论重量295.8g。油箱口盖内、外表面均采用四层碳纤维，单层纤维板厚度0.2 mm,单层板材料性能见表1。内、外表面铺层均为 0/45/9 0/-45。不考虑层间破坏，复合材料面板损伤失效采用Chang-Chang 准则 8 ,其失效判断如下：纤维折断：X,基体开裂：222+T 1(2 0)Y,基体压缩：2222S52|教练机2 0 2 3.NO.22212321+2X,一纵向拉伸强度;X。一纵向压缩强度;Y一横向拉伸强度;Y。一横向压缩强度;S一剪切强度。夹芯采用PMI泡沫,泡沫厚度10 mm,材料性能见表2。泡沫夹芯可认为是各向同性材料，采用最大应力失效准则判断损伤。表1复合材料单层板材料性能纵向弹性模横向弹性模平面剪切模泊松比密度p量Ei(MPa)量E2(MPa)量Gi2(MPa)1350009760X,(MPa)X,(MPa)13501170表2 泡沫材料性能弹性模量E剪切模量G(MPa)(MPa)3613拉伸强度压缩强度(MPa)(MPa)油箱口盖1.0降落伞分离锁体采用刚体模拟，由图1可以看出锁体两个耳片较为锋利,为严酷考核，需准确模拟，保留其真实外形并使尖端朝下，且位于口盖中部。为真实反映口盖连接惯性，建立部分支持结构。口盖内、外面板采用板元模拟，泡沫夹芯采用体元模拟。计算过程中考虑重力场，有限元模型如图2 所示。口盖2锁体+T1(g1 0)(1)(2)2Y2S2SM1252400.28Y,(MPa)Y,(MPa)50.5204泊松比u密度p(kg/m)0.3732剪切强度弯曲强度(MPa)(MPa)0.40.4支持结构Z22+T1(2 0)Y(kg/m)1550S(MPa)77.70.8图2 有限元模型(3)1.2结果分析采用MSC.Dytran瞬态动力学软件，进行分析计专题研究算。计算所得口盖变形如图3所示，上面板被穿透，下面板中部凹陷，泡沫中部被压扁。口盖下面板中部垂向位移时间曲线如图4所示，最大位移达到12 mm。冲击结束后，发生弹性振动，振动结束后，复合材料泡沫夹层板并没有回到初始的未变形形态，而是保留一定的残余变形。计算表明结构遭受严重破坏，下面板遭受损伤，将导致燃油渗出，必须改进结构。在实际试飞当中，口盖破损表明该仿真计算结果具有一定的可靠性。(a)口盖上面板(b）口盖下面板图3口盖变形示意图2.5070-2.50/-5.00-7.50-10.0-12.5+0.002.005.007.010.012.015.017.020.022图4口盖下面板中部垂向位移时间曲线2口盖方案优化2.1全金属方案由于金属抗冲击能力优于复合材料，尤其是低速冲击，首先对全金属口盖方案进行研究，比较全金属方案是否更轻。为了不改变全机材料体系，口盖材料为LY12铝合金，材料性能见表3,结构形式如图5所示。中部布置纵、横两条加强筋，筋条高度5mm，筋条厚度1.5mm。口盖厚度通过冲击图5中1 4点保证不破的前提下，优化厚度，最终确定为1.2 mm。表3LY12材料性能弹性模量密度泊松比(MPa)(kg/ma)710000.33各冲击点计算结果如图6 所示，最大冲击位移为10.5mm，位于1号点。同样存在冲击结束后，发生弹性振动并保留一定的残余变形，由于冲击能量相同，各点残余变形量相当，但金属存在一定延展性，口盖未破损。比较图4和图6 可以发现，复合材料口盖残余变形小，振动频率低，吸收冲击能力强。34ZX图5金属口盖方案示意图(c)泡沫(1/2)该金属口盖理论重量为347.1g，较第2 节中复合材料口盖增重51.3g。0.T-2.00-4.00wu/5-6.00-8.00-10.0-12.0时间/s0.002.005.007.010.012.015.017.020.022图6 口盖冲击点垂向位移时间曲线2.2改进方案复合材料轻、吸收冲击能力强，金属材料抗冲击、延展性好，将二者结合在工程中已有大量运用，如金属蜂窝夹层结构，金属泡沫夹层结构等。为改进口盖结构,降低渗油风险，基于MSC.Dytran计算结果,将复合材料口盖下面板改为0.5mm的LY12铝合金材料，计算结果如图7 所示。上面板同样被穿透，下面板中部凹陷，泡沫中部被压扁。口盖下面板中部垂向位移时间曲线如图8 所示，与图4和图6 比较可知，冲击最大位移为5.6 mm，明显低于前两种方案；振动幅度较小，残余变形较大，由于口盖与油接触的下表面极限强度强化模量(MPa)(MPa)27803901号点一-2号点-3号点4号点时间/s为金属材料，因而下表面不会受到破坏而渗油。3600(a)口盖上面板(b）口盖下面板图7 口盖变形示意图(c)泡沫教练机2 0 2 3.NO.253教练机TRA/NERAVIC该方案重量为32 4.4g，相对全复合材料方案仅增板低速冲击性能的比较机械工程材料,2 0 14,38(7)：重2 8.6 g，比全金属方案轻。90-94.0.72刘玄，张晓晴.基于LS_DYNA的复合材料层-.950合板低速冲击损伤研究 J.科学技术与工程,2 0 12,12-1.90(12):2888-2892.uu/-2.853.801-4.75-5.700.002.005.007.010.012.015.017.020.022图8 口盖金属下面板中部垂向位移时间曲线3结语利用MSC.Dytran有限元软件对某型无人机关键油箱复合材料泡沫夹芯口盖进行低速冲击仿真分析，发现该口盖存在破损渗油风险，通过与全金属方案对比，最终提出将复合材料口盖下表面改为金属材料，既充分利用了复合材料吸收冲击能量的能力，又兼顾了密封性能，保证了飞行安全。3张彦.纤维增强复合材料层合结构冲击损伤预测研究 D.上海交通大学,2 0 0 7:37-42.4任明法，杨留鑫，孙冬生.复合材料缠绕压力容器冲击损伤分析.设计计算，2 0 12,2 9(10)：2 9-35.5王杰.复合材料泡沫夹层结构低速冲击与冲击后压缩性能研究 D.上海交通大学,2 0 13:12 5-138.时间/s6张建，尹群.水下爆炸载荷下圆管夹心板的抗冲击性能研究 噪声与振动控制,2 0 0 7,2 7(3):2 0-2 3.7王自力，张延昌,顾金兰.基于夹层板抗水下爆炸舰船底部结构设计舰船科学技术，2 0 10,32(1)：22-27.8丁沛然，钱纯.非线性瞬态动力学分析MSC.Dytran理论及应用（第一版)M.科学出版社,2 0 0 6：167-180.(收稿日期：2 0 2 3-0 5-10)参考文献1万玉敏.泡沫夹层复合材料与复合材料层合54教练机2 0 2 3.NO.2