王 海,何月洲,杜 星,郗亞琦(.中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所?全尺寸飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜力/疲勞航空科技?重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西?西安?70065;.渭南市第二醫(yī)院,陜西?渭南?74000)
飛機(jī)地面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)是新型飛機(jī)研制過(guò)程中不可缺少的一環(huán)。近年來(lái),隨著我國(guó)綜合國(guó)力不斷增強(qiáng),航空工業(yè)水平的快速發(fā)展,多用途大型通用飛機(jī)也得到快速發(fā)展。其中最具代表性的國(guó)產(chǎn)大型水陸兩棲飛機(jī)——“鯤龍”AG600成為我國(guó)建設(shè)航空應(yīng)急救援體系的國(guó)之重器。AG600飛機(jī)不僅要承受傳統(tǒng)陸基飛機(jī)的各類載荷,還要承受水上飛機(jī)所受到的水載荷,載荷分布復(fù)雜、情況多樣,對(duì)驗(yàn)證試驗(yàn)帶來(lái)了諸多技術(shù)難題。在AG600飛機(jī)著水情況下,機(jī)身船體受到的水面撞擊載荷為壓向載荷。按照適航規(guī)范要求[1-3],水載荷必須連續(xù)施加到船體,避免局部結(jié)構(gòu)超過(guò)水壓而出現(xiàn)損傷。目前,成熟的壓載施加方法[4-7]如聚氨酯/橡膠拉壓墊加載方法,氣囊-支持剛體等加載方法,均不能滿足水載荷的加載要求。借鑒拉壓墊加載方法并結(jié)合AG600飛機(jī)著水情況時(shí)機(jī)身船體所受的水載荷分布情況,本文提出了連續(xù)彈性體水載荷加載方案,模擬機(jī)身船體結(jié)構(gòu)水載荷施加。并在合理的簡(jiǎn)化和等效條件下建立了機(jī)身船體結(jié)構(gòu)有限元模型,對(duì)兩種加載方案模擬施加船底水載荷的效果進(jìn)行了有限元分析。
加載方案所采用的連續(xù)彈性體傳載介質(zhì)為聚氨酯材料[8],大型聚氨酯板可以數(shù)控修形,更加適合這類外形曲面復(fù)雜的機(jī)身船體結(jié)構(gòu),能保證聚氨酯板與機(jī)身船體外形較好地貼合,連續(xù)彈性體水載荷加載方案具體實(shí)施如圖1所示。水載荷施加在機(jī)身船體框的前后區(qū)域時(shí),通過(guò)一整塊連續(xù)聚氨酯厚板將考核區(qū)域完全覆蓋,在聚氨酯板上層鋪設(shè)鋁板、加載條等零件結(jié)構(gòu),與聚氨酯板共同構(gòu)成了水載荷加載模塊。將單個(gè)框的水載荷合理分配到多個(gè)壓塊上,再通過(guò)壓板條、鋁板和聚氨酯進(jìn)一步將載荷分布到機(jī)身船體考核區(qū)域,能夠使水載荷通過(guò)聚氨酯加載模塊分配到機(jī)身船體承力結(jié)構(gòu)上。試驗(yàn)時(shí),采用作動(dòng)器在考核區(qū)域壓心處施加集中載荷,通過(guò)上層剛度較大的壓塊、壓板條、鋁板層作用在聚氨酯板上,由于聚氨酯板數(shù)控修形后與船底外形完全貼合,聚氨酯板剛度較小,能夠與船底結(jié)構(gòu)變形相協(xié)調(diào),避免在加載過(guò)程中由于結(jié)構(gòu)變形造成的局部載荷集中問(wèn)題。另外,通過(guò)設(shè)計(jì)聚氨酯加載模塊的鋁板厚度、加載條厚度和寬度來(lái)調(diào)整加載模塊,找到合適的剛度來(lái)調(diào)整傳力路徑,使試驗(yàn)載荷能有效傳遞到重點(diǎn)考核結(jié)構(gòu)上,在達(dá)到試驗(yàn)考核目的的同時(shí)也保證了試驗(yàn)的安全性。
圖1 ??機(jī)身船體結(jié)構(gòu)載荷施加示意圖
為了對(duì)聚氨酯加載模塊的傳載效果進(jìn)行分析,選取機(jī)身船體的框、長(zhǎng)桁、蒙皮及聚氨酯加載模塊建立有限元實(shí)體模型??紤]到機(jī)身船體在受到水載荷作用下,主要表現(xiàn)是彎曲變形,因此抗彎剛度是影響其載荷傳遞路徑的主要因素。在建立有限元模型時(shí),采用截面等效剛度的方法將原本不規(guī)則的框截面和長(zhǎng)桁截面等效為矩形截面,有效降低了有限元計(jì)算的復(fù)雜程度。在建立有限元模型時(shí),添加該框前后的兩個(gè)框模型,這樣能讓中間目標(biāo)框的邊界條件更加準(zhǔn)確。機(jī)身船體蒙皮-長(zhǎng)桁-框結(jié)構(gòu)三維實(shí)體模型如圖2所示,鋁合金蒙皮厚度2 mm,長(zhǎng)桁與框、框與蒙皮、蒙皮與框接觸面采用綁定接觸形式,保證接觸界面變形協(xié)調(diào)。在蒙皮上表面用聚氨酯加載模塊將載荷作用在框上,一個(gè)框?qū)?yīng)一個(gè)加載模塊,在兩塊聚氨酯加載模塊之間留有4 mm寬的間隙。仿真時(shí),聚氨酯板壓在蒙皮上表面,聚氨酯板上表面與鋁板下表面、鋁板上表面與壓板條下表面、壓板條上表面與圓柱形壓塊下表面均采用綁定接觸形式,而聚氨酯下表面與蒙皮之間的接觸形式為有摩擦的硬接觸。模型邊界條件為框的兩端簡(jiǎn)支,壓塊上施加壓力載荷。模型網(wǎng)格類型采用八節(jié)點(diǎn)四面體單元(C3D8R)。
圖2 ??機(jī)身船體蒙皮-長(zhǎng)桁-框計(jì)算模型
由于船底水載荷多為壓載,主要考察聚氨酯的壓縮性能,聚氨酯壓縮性能與其硬度有很大關(guān)系,硬度越高壓縮模量越高。另外,硬度越大越有利于聚氨酯板數(shù)控修形。仿真時(shí)每個(gè)框?qū)?yīng)一個(gè)聚氨酯加載模塊,每個(gè)框的總載荷為100 kN,該框載通過(guò)12個(gè)壓塊以均布?jí)簭?qiáng)的形式施加到聚氨酯加載模塊上,并通過(guò)加載模塊將力加載到蒙皮-長(zhǎng)桁-框模型,方案1的計(jì)算模型見(jiàn)圖3。聚氨酯板長(zhǎng)為1170 mm,寬為496 mm,厚度為40~150 mm,具體厚度根據(jù)機(jī)身船體外形變化進(jìn)行修形;鋁板厚度為20 mm,長(zhǎng)寬與聚氨酯板一致;壓板條寬為100 mm,長(zhǎng)度與聚氨酯板保持相同,厚度為10 mm,兩個(gè)壓板條之間的間距為50 mm,三個(gè)壓板條之間的間距可以根據(jù)載荷分布情況進(jìn)行調(diào)整;壓板條上的圓柱形壓塊加載點(diǎn)數(shù)目為12個(gè),厚度為20 mm,半徑為20 mm。為了減輕加載模塊的重量,壓塊和壓板條采用高強(qiáng)度鋁合金。通過(guò)計(jì)算,得到了各部件的應(yīng)力分布情況及聚氨酯板下表面與蒙皮上表面接觸法向力CNORMF(CNF1,CNF2,CNF3),由于該算例中CNF1、CNF2較小,可以不予考慮,重點(diǎn)考慮CNF3在機(jī)身船體模擬結(jié)構(gòu)上的分布情況。
圖3 ??船底框和長(zhǎng)桁承受分布載荷(方案1)
聚氨酯硬度、鋁板厚度以及加載條厚度等是影響加載模塊剛度的主要因素,而聚氨酯彈性模量與其硬度有密切關(guān)系,硬度越大壓縮模量越大。分別用彈性模量為E=50 MPa、120 MPa、170 MPa、280 MPa的聚氨酯板進(jìn)行計(jì)算,得到不同硬度聚氨酯模塊對(duì)框載分布的影響,蒙皮接觸面法向力分布示意圖如圖4所示。
圖4 ??方案1蒙皮接觸法向力(CNF3)分布情況
從聚氨酯下表面與蒙皮上表面接觸法向力(CNF3)的分布來(lái)看,框載主要分布在有框和長(zhǎng)桁支撐的剛度較大區(qū)域。在長(zhǎng)桁方向,兩塊聚氨酯板接縫處載荷偏大,長(zhǎng)桁與框連接的區(qū)域附近所受的法向載荷偏小,其他區(qū)域分布均勻;在框方向,載荷分布均勻性較好,框的兩個(gè)約束端分布的接觸法向力最大,局部載荷最大達(dá)到138 N。
對(duì)比不同硬度的聚氨酯對(duì)載荷分布的影響,分別取框(x方向)與長(zhǎng)桁(y方向)中軸線,給出接觸法向力沿著x、y中軸線的分布曲線,如圖5所示。
圖5 ??聚氨酯板硬度不同時(shí)接觸法向力沿框和長(zhǎng)桁中軸線的分布曲線
在長(zhǎng)桁(Y方向)中軸線上,E=120 MPa、170 MPa、280 MPa時(shí),由于聚氨酯硬度較大,載荷通過(guò)壓板條能傳到聚氨酯邊界處,兩塊聚氨酯板在接縫處共同作用,導(dǎo)致接縫處的接觸法向力出現(xiàn)峰值,彈性模量越大峰值越高。而當(dāng)彈性模量E=50 MPa時(shí),由于聚氨酯太軟,壓板條載荷傳到聚氨酯邊界處較小,所以接縫處接觸法向力出現(xiàn)波谷值,其他區(qū)域的接觸法向力分布相對(duì)均勻。
在框(x方向)中軸線上,接觸法向力的最大值出現(xiàn)在框的兩個(gè)約束端,對(duì)應(yīng)4個(gè)沿著框方向的壓塊,總共出現(xiàn)4個(gè)峰值。框的中間區(qū)域載荷分布相對(duì)均勻。總體來(lái)看,隨著聚氨酯彈性模量增大,對(duì)應(yīng)框(x方向)中軸線上接觸法向力的峰值越高,將會(huì)有更多的載荷分布到框上。
為了在加載過(guò)程中將載荷較多地分布到船底框上,采用如圖6所示的加載方案2。在圖3所示的模型結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,去掉兩框之間的加載條,只保留框上加載條,壓板條寬度增加到200 mm。
圖6 ??船體框承受分布載荷模型(方案2)
保持與前述模型相同的邊界條件、載荷以及各部件表面的接觸條件進(jìn)行計(jì)算,得到方案2的分析結(jié)果,圖7所示為蒙皮接觸面法向力分布情況。在這種加載條件下,載荷通過(guò)聚氨酯加載模塊主要分布到框上,有少部分載荷傳遞到長(zhǎng)桁與框連接的區(qū)域上。另外,在框軸線方向,載荷分布相對(duì)均勻,在壓塊區(qū)域載荷偏大。
圖7 ??方案2蒙皮接觸面法向力(CNF3)分布情況
圖8 ??兩種加載方案蒙皮Mises應(yīng)力云圖
經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算結(jié)果后處理,得到上述兩種方案中蒙皮和長(zhǎng)桁的應(yīng)力分布云圖,如圖8、圖9所示。從圖中可以明顯看出,二者在兩框之間的區(qū)域應(yīng)力分布差異較大。方案1應(yīng)力范圍是4.5~85.8 MPa,而方案2在相同區(qū)域的應(yīng)力范圍是2.7~45.8 MPa;方案1長(zhǎng)桁應(yīng)力水平要高于方案2,因此可以認(rèn)為方案2的加載方式對(duì)長(zhǎng)桁和蒙皮考核較少。方案2的加載方案主要是將載荷加載到框上,而框是機(jī)身主要承力結(jié)構(gòu),屬于偏保守的加載方案。
當(dāng)試驗(yàn)主要考核局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí),可選擇方案1進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì);當(dāng)試驗(yàn)考核總體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度時(shí),可選擇偏保守的方案2進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)。
圖9 ??兩種加載方案長(zhǎng)桁Mises應(yīng)力云圖
本文提出了連續(xù)彈性體水載荷加載方案用于模擬機(jī)身船體結(jié)構(gòu)水載荷,并建立了框、長(zhǎng)桁、蒙皮及聚氨酯加載模塊等結(jié)構(gòu)組成的有限元實(shí)體模型,對(duì)兩種不同加載方案進(jìn)行計(jì)算分析,為水上飛機(jī)的機(jī)身船體結(jié)構(gòu)水載荷加載方案提供設(shè)計(jì)參考。得出如下結(jié)論:
(1)當(dāng)聚氨酯結(jié)構(gòu)彈性模量E介于120~170 MPa之間,傳載相對(duì)均勻,加載效果較好,實(shí)際使用時(shí)則需要根據(jù)曲面修形要求選取該范圍內(nèi)合適硬度的聚氨酯。
(2)通過(guò)對(duì)比兩種加載方案下結(jié)構(gòu)表面的接觸法向力及應(yīng)力分布情況,表明加載方案1能通過(guò)聚氨酯加載模塊將水載荷較為均勻地分布到長(zhǎng)桁和框上,而方案2則能通過(guò)聚氨酯加載模塊將水載荷主要分布到框上,試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)試驗(yàn)考核目的不同而選擇相應(yīng)的加載方案。