張積洪，李德根

ZHANG Ji-hong，LI De-gen

（中國民航大學(xué) 航空自動化學(xué)院，天津 300300）

0 引言

在機場內(nèi)，各種各樣的目視助航設(shè)施（例如進(jìn)近燈光桿塔、氣象設(shè)備、無線電導(dǎo)航設(shè)施）安裝在靠近跑道、滑行道和機坪之處，飛機在著陸、起飛或地面操作中，偶然會碰撞上這些設(shè)施，而一旦碰撞上，必將會對飛機造成一定程度的損壞，所以這些設(shè)施設(shè)備及其支撐結(jié)構(gòu)要求必須是易折的，并且其安裝高度要盡可能地低，以保證飛機在碰撞到這些設(shè)施設(shè)備時不致失控。剛性設(shè)計（左）的進(jìn)近燈光站點正在由新的易折結(jié)構(gòu)（右）代替，如圖1所示。

圖1 剛性設(shè)計（左）的進(jìn)近燈光站點正在由新的易折結(jié)構(gòu)（右）代替

本文從應(yīng)力的角度，采用有限元分析的方法，試圖得到進(jìn)近燈光桿塔燈塔在撞擊過程中的應(yīng)力，并進(jìn)而分析進(jìn)近燈光桿塔破斷的原因，為易折結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計及其強度的提高提供一種方法和手段。

1 顯式有限元動力分析的理論基礎(chǔ)

碰撞過程是一個瞬態(tài)的復(fù)雜物理過程，它包含以大位移、大應(yīng)變?yōu)樘卣鞯膸缀畏蔷€性和以材料彈塑性變形為典型特征的材料非線性，這些非線性物理現(xiàn)象的綜合作用結(jié)果使進(jìn)近燈光桿塔塔碰撞過程的精確描述和求解十分困難。所以模擬飛機撞擊進(jìn)近燈光桿塔的撞擊問題一般都采用顯式有限元算法。

1.1 LS-DYNA 軟件簡介

LS-DYNA 是功能齊全的非線性分析程序包，可以模擬各種復(fù)雜的非線性動態(tài)過程，求解各種幾何非線性、材料非線性和接觸非線性問題，其顯式算法特別適合于分析各種非線性沖擊動力學(xué)問題，如沖擊、爆炸、結(jié)構(gòu)撞擊等。

1.2 計算的基本假設(shè)

在有限元建模過程中，為簡化計算采用了以下假設(shè)：

1）由于基于不同溫度的精確材料實驗數(shù)據(jù)較難獲得，本分析中不考慮溫度對材料屬性的影響，使用溫度為常溫（RT取20℃）時的材料參數(shù)，并應(yīng)用于分析所有情況。

2）為了方便有限元的分析，飛機結(jié)構(gòu)模型和進(jìn)近燈光桿塔燈塔的結(jié)構(gòu)做了相應(yīng)的簡化，把飛機模型簡化為同等質(zhì)量的外形規(guī)整的剛體，而進(jìn)近燈光桿塔燈塔結(jié)構(gòu)中過小的圓角都做了相應(yīng)處理，且其整個模型的高度縮小了三倍。

2 有限元仿真模型

2.1 建模及網(wǎng)格劃分

ANSYS雖然也有功能強大的建模工具，但與現(xiàn)代CAD軟件相比要弱的多，尤其對于復(fù)雜的模型，修改起來非常困難，并且ANAYS在創(chuàng)建模型之前，必須確定每個節(jié)點的位置以及每個單元的大小、形狀和連接，這樣非常繁瑣，并且容易出錯。在現(xiàn)代的協(xié)同設(shè)計體系中，設(shè)計人員采用CAD軟件如Pro/E、UG、SolidWorks等進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，分析人員采用CAE軟件如ANSYS、Marc等進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，設(shè)計人員和分析人員協(xié)同工作完成產(chǎn)品設(shè)計任務(wù)?？梢灾苯影言O(shè)計人員創(chuàng)建的CAD結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入到CAE軟件中進(jìn)行分析，則省去了在CAE軟件中復(fù)雜的建模過程，大大降低了分析人員的勞動強度，可以使其從繁重的幾何建模工作中脫離出來，而把更多的精力用于提高有限元模型精度、研究分析方法等上來，從而提高工作效率[1]。

由于在SolidWorks中建模更方便，所以在SolidWorks中完成飛機簡化模型、進(jìn)近燈光桿塔燈塔的三維模型，然后導(dǎo)入ANSYS/LS-DYNA中，導(dǎo)入后的模型如圖2所示，飛機和進(jìn)近燈光桿塔燈塔模型的該材料的彈性模量 E= 210GPa，泊松比=0.28，屈 服 極 限σ=620MPa，密度=7.7×103kg/m3。飛機和進(jìn)近燈光桿塔燈塔模型都采用ANSYS/LS-DYNA中的SOLID164實體單元，它是 8節(jié)點六面體單元，采用單點積分和沙漏控制算法。采用ANSYS/LS-DYNA自由網(wǎng)格劃分，它具有自動生成單元大小的特點，并在網(wǎng)格生成過程中自動生成合理的形狀單元。

圖2 導(dǎo)入后的模型

根據(jù)以往燈塔發(fā)生破壞的經(jīng)驗，在進(jìn)近燈光桿塔燈塔底端橫截面積最小處及與底板過渡處斷裂的可能性比較大，為了更準(zhǔn)確地體現(xiàn)模型局部的受力狀況，故在此處細(xì)化網(wǎng)格劃分。進(jìn)近燈光桿塔燈塔局部網(wǎng)格細(xì)化后的結(jié)果如圖3所示，劃分網(wǎng)格后的有限元模型如圖4所示。

圖3 局部網(wǎng)格細(xì)化

圖4 劃分網(wǎng)格后的有限元模型

2.2 約束及載荷的添加

飛機沿運動方向Z正向撞擊進(jìn)近燈光桿塔燈塔，因此在進(jìn)近燈光桿塔燈塔的四個底角添加了全約束。飛機質(zhì)量為6000Kg，速度為120Km/h，由于摩擦力相對于撞擊力小的多，因此可以忽略不計。

2.3 接觸界面的定義

因為可以判定飛機前端面和進(jìn)近燈光桿塔燈塔圓柱面碰撞接觸， 因此采用ANSYS/LS-DYNA中的表面-表面（Su rface to Su rface）接觸類型，面面接觸是ANSYS/LS-DYNA中常用的一種接觸類型,一般用于任意形狀有相對較大接觸面積的物體接觸中。采用自動接觸（Au tomatic）算法，程序?qū)⒆詣哟_定單元接觸面方向。

3 計算結(jié)果及分析

對于上面所建立的有限元仿真模型,經(jīng)求解可以得到進(jìn)近燈光桿塔燈塔的應(yīng)力、位移等數(shù)據(jù)。利用ANSYS/LS-DYNA處理程序可以得到燈塔的應(yīng)力、位移等數(shù)據(jù)和圖像。將 LS-DYNA 的計算結(jié)果導(dǎo)入到后處理軟件LSPREPOST中，可以得到進(jìn)近燈光桿塔燈塔在不同時刻的應(yīng)力位移等分布，以及方便查看求解的歷程關(guān)系。

3.1 應(yīng)力分析

進(jìn)近燈光桿塔燈塔的應(yīng)力云圖如圖5所示，由應(yīng)力云圖可以看出，在進(jìn)近燈光桿塔燈塔的底部、靠近底板處和距離尾端一定距離處（橫截面面積較小的那部分）的應(yīng)力較大。進(jìn)近燈光桿塔燈塔在碰撞過程中的斷裂主要發(fā)生在橫截面面積較小處，由應(yīng)力云圖可以看到在這一區(qū)域包含應(yīng)力最大的區(qū)域，其中橫截面面積最小處單元4364處的應(yīng)力最大。單元 4364處Z向應(yīng)力時間歷程曲線如圖 6所示。在這一單元，在8ms時刻該單元有最大壓應(yīng)力10.38Gpa，在20ms時刻該節(jié)點有最大的拉應(yīng)力4.0Gpa，拉應(yīng)力小于材料的屈服極限，而壓應(yīng)力大于材料的屈服極限，因此進(jìn)近燈光桿塔燈塔的斷裂是在撞擊的直接作用下發(fā)生。

圖5 進(jìn)近燈光桿塔燈塔的應(yīng)力云圖

圖6 單元4364應(yīng)力時間歷程曲線

3.2 速度位移分析

圖7和圖8為位于進(jìn)近燈光桿塔燈塔靠近底板的編號為1344的節(jié)點沿 Z軸方向的時間位移曲線和速度位移曲線。從圖7中可以看出靠近底板的位移在8ms以前是隨時間增大而不斷增加的，由此可以判斷燈塔在8ms以前一直是沿Z軸正方向運動的，在8ms以后因碰撞而反方向運動。燈塔在此節(jié)點的速度在8ms前基本是沿Z軸正方向，在飛機撞擊進(jìn)近燈光桿塔燈塔后，燈塔此節(jié)點在3ms時速度達(dá)到0.8m/s。在8ms后，進(jìn)近燈光桿塔燈塔速度開始下降。

圖7 節(jié)點1344沿Z軸方向的時間位移曲線

圖8 節(jié)點1344沿Z軸方向的時間速度曲線

4 結(jié)束語

剛性進(jìn)近燈光桿塔燈塔受飛機撞擊的受力過程和燈塔結(jié)構(gòu)損傷可以用ANSYS/LS-DYNA 軟件模擬，可以有效的分析燈塔的整體和局部的變形情況。且飛機撞擊進(jìn)近燈光桿塔燈塔的最危險點出現(xiàn)在燈塔底端的最小橫截面處，這里恰巧是易折結(jié)構(gòu)的位置，從而對易折結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計具有很好的指導(dǎo)作用。

[1]劉相新,孟憲頤.ANSYS基礎(chǔ)與應(yīng)用教程[M].北京：科學(xué)出版社,2007.

[2]趙經(jīng)文,王宏鈺.結(jié)構(gòu)有限元分析[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,1988.

[3]尚曉江,蘇建宇.ANSYS/LS-DYNA動力學(xué)分析方法與工程實例[M].北京：中國水利水電出版社,2006.

[4]何濤,楊競,金鑫.ANSYS10.0 /LS-DYNA非線性有限元分析實例指導(dǎo)教程[M].機械工業(yè)出版社,2007.

[5]郝秀平,張家越,薄玉成,徐健.基于 ANSYS/LS-DYNA的擊針撞擊應(yīng)力數(shù)值仿真[J].山西師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）2009,23（4）：54-58.