油箱結構耐撞性的影響 ,研究多局限于分析油箱結構形式及材料的強度、韌性等方面 ,很少考慮液態燃油與油箱結構及機身結構的耐撞性之間聯系。從目前來看 ,考慮燃油對結構耐撞性能的影響的研究鮮有報道。 Fasanella等[9]在進行 Boe2 ing 737機身框段及油箱結構耐撞性分析時 ,主要考慮了液態燃油的質量影響 ,將油箱內部燃油簡化成集中質量放置在油箱結構模型的內部。這種模型忽略了在墜撞環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部液體與油箱結構之間的流固耦合關系。利用任意拉格朗日/歐拉耦合分析方法計算了機身框段的垂直墜撞響應 ,研究了油箱內部液體的晃動和潑濺對整個機身框段墜撞響應的影響以及機身框段各部分結構的能量吸收情況。根據計算結果 ,給出了油箱內部液體容量和機身框段最大垂向壓縮位移、最大過載及能量吸收等參數之間的曲線 ,提出了應急著陸時應采取的相應措施。
對油箱及機身結構的作用 ,這樣的簡化方法難以
數
; fi為 i方向上的單位質量的體積力。將上述全面反映整個機身框段系統的耐撞性能。實際上 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算結含的容積內進行積分 ,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積分 ,
1 油箱內部燃油建模的基本方法
燃油與油箱結構在墜撞條件下的相互作用屬于典型的流固耦合問題 ,為了在分析結果中體現液態燃油對機身框段墜撞響應的影響 ,有必要采用流體動力學的方法描述燃油的動態響應過程。
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者的關注。 AL E方法是目前應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、加工成型等領域獲得了極大的成功。
AL E描述中同時包含 Lagrangian坐標系和 Eulerian坐標系。 AL E描述下的隨體導數可表
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 ; xi為 Eulerian坐標 ; wi為 AL E描述下的對流速度 ,可用物質速度 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)本構方程 σij =-pδij +μ(vi,j (5)
結合施主法便可計算得到穿越單元表面的質量、動量和能量的流量。
2 帶油箱結構的機身框段的數值模型
在機身框段建模過程中 ,對結構進行了一定的簡化 ,如忽略了鉚釘、鏍釘、連接銷等的影響 ,模型中也不包括真實機身框段所應有的舷窗、艙門等結構 ,乘員和座椅系統用集中質量模擬。機身框段主要由機身框結構、油箱結構、油箱內部的水、撞擊面幾部分構成 ,整個模型及各部分模型如圖 1所示。
在建模過程中 ,假設整個機身框段包括油箱結構都采用了 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入塑性變形區后的應力狀態 ,采用最大失效等效塑性應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部的水。乘員和座椅約束系統等艙內設備用連接到地板上集中質量模擬 ,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力學參數如表 1所示。整個機身框段模型包括 10 821個結點 , 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。為了研究油箱內部裝有的水對機身框段抗墜撞性能的影響 ,油箱內分別裝有從 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性能參數 Table 1 Materials and behavior of components
彈性模量 密度 屈服應力 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應變 / %/GPa
機身加強框 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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