油箱結(jié)構(gòu)耐撞性的影響 ,研究多局限于分析油箱結(jié)構(gòu)形式及材料的強(qiáng)度、韌性等方面 ,很少考慮液態(tài)燃油與油箱結(jié)構(gòu)及機(jī)身結(jié)構(gòu)的耐撞性之間聯(lián)系。從目前來看 ,考慮燃油對結(jié)構(gòu)耐撞性能的影響的研究鮮有報(bào)道。 Fasanella等[9]在進(jìn)行 Boe2 ing 737機(jī)身框段及油箱結(jié)構(gòu)耐撞性分析時 ,主要考慮了液態(tài)燃油的質(zhì)量影響 ,將油箱內(nèi)部燃油簡化成集中質(zhì)量放置在油箱結(jié)構(gòu)模型的內(nèi)部。這種模型忽略了在墜撞環(huán)境下燃油的晃動和潑濺過程
壓力和黏性系
仿真分析模型 ,模型中考慮了油箱內(nèi)部液體與油箱結(jié)構(gòu)之間的流固耦合關(guān)系。利用任意拉格朗日/歐拉耦合分析方法計(jì)算了機(jī)身框段的垂直墜撞響應(yīng) ,研究了油箱內(nèi)部液體的晃動和潑濺對整個機(jī)身框段墜撞響應(yīng)的影響以及機(jī)身框段各部分結(jié)構(gòu)的能量吸收情況。根據(jù)計(jì)算結(jié)果 ,給出了油箱內(nèi)部液體容量和機(jī)身框段最大垂向壓縮位移、最大過載及能量吸收等參數(shù)之間的曲線 ,提出了應(yīng)急著陸時應(yīng)采取的相應(yīng)措施。
對油箱及機(jī)身結(jié)構(gòu)的作用 ,這樣的簡化方法難以
數(shù)
; fi為 i方向上的單位質(zhì)量的體積力。將上述全面反映整個機(jī)身框段系統(tǒng)的耐撞性能。實(shí)際上 方程和能量守恒方程在流場中任一封閉曲面所包
Fasanella等[9]也指出 ,要獲得更加精確的計(jì)算結(jié)含的容積內(nèi)進(jìn)行積分 ,便可得到積分形式的控制方程。將得到的積分形式的方程在時域內(nèi)積分 ,
1 油箱內(nèi)部燃油建模的基本方法
燃油與油箱結(jié)構(gòu)在墜撞條件下的相互作用屬于典型的流固耦合問題 ,為了在分析結(jié)果中體現(xiàn)液態(tài)燃油對機(jī)身框段墜撞響應(yīng)的影響 ,有必要采用流體動力學(xué)的方法描述燃油的動態(tài)響應(yīng)過程。
自 Nor[ 15 ]和 Hirt等[ 16 ]在研究中心差分法時提出了 AL E描述方法的概念以來 ,該方法一直受到廣大學(xué)者的關(guān)注。 AL E方法是目前應(yīng)用的最為廣泛的拉格朗日歐拉耦合模擬方法 ,在液體大幅度晃動、流固耦合、加工成型等領(lǐng)域獲得了極大的成功。
AL E描述中同時包含 Lagrangian坐標(biāo)系和 Eulerian坐標(biāo)系。 AL E描述下的隨體導(dǎo)數(shù)可表
示為 [ 17218 ]
9 f (Xi,t) 9 f (xi ,t) 9 f (xi,t)
= -wi (1)9t 9t 9 xi 式中 : i = 1 ,2 ,3; f為某物理量 ; Xi為 Lagrangian坐標(biāo) ; xi為 Eulerian坐標(biāo) ; wi為 AL E描述下的對流速度 ,可用物質(zhì)速度 vi和單元變形速度 ui表示為
wi=vi-ui (2)
由式 (1)可按張量形式寫出 AL E描述下的基本方程
(1)質(zhì)量守恒方程 ρ =-ρvi,j -wi(3)
ρi, j
(2)動量守恒方程 ρvi +ρw jvi,j = σij,j +ρfi (4)
(3)本構(gòu)方程 σij =-pδij +μ(vi,j (5)
結(jié)合施主法便可計(jì)算得到穿越單元表面的質(zhì)量、動量和能量的流量。
2 帶油箱結(jié)構(gòu)的機(jī)身框段的數(shù)值模型
在機(jī)身框段建模過程中 ,對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一定的簡化 ,如忽略了鉚釘、鏍釘、連接銷等的影響 ,模型中也不包括真實(shí)機(jī)身框段所應(yīng)有的舷窗、艙門等結(jié)構(gòu) ,乘員和座椅系統(tǒng)用集中質(zhì)量模擬。機(jī)身框段主要由機(jī)身框結(jié)構(gòu)、油箱結(jié)構(gòu)、油箱內(nèi)部的水、撞擊面幾部分構(gòu)成 ,整個模型及各部分模型如圖 1所示。
在建模過程中 ,假設(shè)整個機(jī)身框段包括油箱結(jié)構(gòu)都采用了 3種各向同性的線性硬化彈塑性材料 : Al220242T3 ,Al270752T6和自定義鋁合金材料。采用 von Mises屈服條件和各向同性硬化法則來描述材料進(jìn)入塑性變形區(qū)后的應(yīng)力狀態(tài) ,采用最大失效等效塑性應(yīng)變描述材料的破壞形式 ,采用理想線性無黏流體材料模擬油箱內(nèi)部的水。乘員和座椅約束系統(tǒng)等艙內(nèi)設(shè)備用連接到地板上集中質(zhì)量模擬 ,撞擊面為剛性平面。整個模型中的各個部分所用的材料及其各項(xiàng)力學(xué)參數(shù)如表 1所示。整個機(jī)身框段模型包括 10 821個結(jié)點(diǎn) , 13 774個單元 ,其中 10 212個殼單元 ,1 512個梁單元 ,2 040個歐拉體單元。模型所包含的拉格朗日單元中 ,所有梁單元均采用 Hughes2Liu理論。
3 墜撞初始條件及約束處理
墜撞初速度為 121 81 m/s,方向與撞擊剛性平面的法線方向平行 ,并且指向剛性平面。為了研究油箱內(nèi)部裝有的水對機(jī)身框段抗墜撞性能的影響 ,油箱內(nèi)分別裝有從 1171 9L到 2 135 L不等容積的水。模型中考慮了重力的影響。
圖 1 模擬機(jī)身框段的各組成部分有限元模型 Fig1 1 Finite element model of components
表 1 模型中的各個部件及其材料力學(xué)性能參數(shù) Table 1 Materials and behavior of components
彈性模量 密度 屈服應(yīng)力 硬化模量 失效塑性體積模量 部 件材 料/ GPa泊松比/ (kg ·m-3)/MPa/MPa應(yīng)變 / %/GPa
機(jī)身加強(qiáng)框 Al270752T6[19] 71102 0133 2794 360 10011 841 49
蒙皮 Al220242T3[19] 66133 0133 2 760 243 8261 7 141 63
地板及地板梁 Al220242T3 66133 0133 2 760 243 8261 7 141 63
油箱連接梁 Al270752T6 71102 0133 2794 360 10011 841 49
縱向長絎 Al270752T6 71102 0133 2794 360 10011 841 49
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