王 海，何月洲，杜 星，郗亞琦（.中國飛機(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)研制過程中不可缺少的一環(huán)。近年來，隨著我國綜合國力不斷增強(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產(chǎn)大型水陸兩棲飛機(jī)——“鯤龍”AG600成為我國建設(shè)航空應(yīng)急救援體系的國之重器。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，對驗(yàn)證試驗(yàn)帶來了諸多技術(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。

1 連續(xù)彈性體水載荷加載方案

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，通過一整塊連續(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。將單個框的水載荷合理分配到多個壓塊上，再通過壓板條、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，采用作動器在考核區(qū)域壓心處施加集中載荷，通過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)，避免在加載過程中由于結(jié)構(gòu)變形造成的局部載荷集中問題。另外，通過設(shè)計(jì)聚氨酯加載模塊的鋁板厚度、加載條厚度和寬度來調(diào)整加載模塊，找到合適的剛度來調(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

2 水載荷加載方法有限元分析

2.1 建立有限元分析模型

為了對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，采用截面等效剛度的方法將原本不規(guī)則的框截面和長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，添加該框前后的兩個框模型，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，一個框?qū)?yīng)一個加載模塊，在兩塊聚氨酯加載模塊之間留有4 mm寬的間隙。仿真時，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-長桁-框計(jì)算模型

2.2 船底框和長桁承受分布載荷（方案1）

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。仿真時每個框?qū)?yīng)一個聚氨酯加載模塊，每個框的總載荷為100 kN，該框載通過12個壓塊以均布壓強(qiáng)的形式施加到聚氨酯加載模塊上，并通過加載模塊將力加載到蒙皮-長桁-框模型，方案1的計(jì)算模型見圖3。聚氨酯板長為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，長寬與聚氨酯板一致；壓板條寬為100 mm，長度與聚氨酯板保持相同，厚度為10 mm，兩個壓板條之間的間距為50 mm，三個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，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）的分布來看，框載主要分布在有框和長桁支撐的剛度較大區(qū)域。在長桁方向，兩塊聚氨酯板接縫處載荷偏大，長桁與框連接的區(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。

對比不同硬度的聚氨酯對載荷分布的影響，分別取框（x方向）與長桁（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接觸法向力沿框和長桁中軸線的分布曲線

在長桁（Y方向）中軸線上，E=120 MPa、170 MPa、280 MPa時，由于聚氨酯硬度較大，載荷通過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，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)在框的兩個約束端，對應(yīng)4個沿著框方向的壓塊，總共出現(xiàn)4個峰值?？虻闹虚g區(qū)域載荷分布相對均勻?？傮w來看，隨著聚氨酯彈性模量增大，對應(yīng)框（x方向）中軸線上接觸法向力的峰值越高，將會有更多的載荷分布到框上。

2.3 船底框承受分布載荷（方案 2）

為了在加載過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，載荷通過聚氨酯加載模塊主要分布到框上，有少部分載荷傳遞到長桁與框連接的區(qū)域上。另外，在框軸線方向，載荷分布相對均勻，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

3 應(yīng)力分析結(jié)果對比

圖8 ??兩種加載方案蒙皮Mises應(yīng)力云圖

經(jīng)過仿真計(jì)算結(jié)果后處理，得到上述兩種方案中蒙皮和長桁的應(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的加載方式對長桁和蒙皮考核較少。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，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，可選擇偏保守的方案2進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

圖9 ??兩種加載方案長桁Mises應(yīng)力云圖

4 結(jié)????論

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，傳載相對均勻，加載效果較好，實(shí)際使用時則需要根據(jù)曲面修形要求選取該范圍內(nèi)合適硬度的聚氨酯。

（2）通過對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能通過聚氨酯加載模塊將水載荷較為均勻地分布到長桁和框上，而方案2則能通過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)時可根據(jù)試驗(yàn)考核目的不同而選擇相應(yīng)的加載方案。