基于ANSYS/LS-DYNA的進(jìn)近燈光桿塔撞擊應(yīng)力數(shù)值仿真

張積洪，李德根

ZHANG Ji-hong，LI De-gen

（中國(guó)民航大學(xué) 航空自動(dòng)化學(xué)院，天津 300300）

0 引言

在機(jī)場(chǎng)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(wú)線電導(dǎo)航設(shè)施）安裝在靠近跑道、滑行道和機(jī)坪之處，飛機(jī)在著陸、起飛或地面操作中，偶然會(huì)碰撞上這些設(shè)施，而一旦碰撞上，必將會(huì)對(duì)飛機(jī)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(jī)在碰撞到這些設(shè)施設(shè)備時(shí)不致失控。剛性設(shè)計(jì)（左）的進(jìn)近燈光站點(diǎn)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(jì)（左）的進(jìn)近燈光站點(diǎn)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(guò)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(jì)及其強(qiáng)度的提高提供一種方法和手段。

1 顯式有限元?jiǎng)恿Ψ治龅睦碚摶A(chǔ)

碰撞過(guò)程是一個(gè)瞬態(tài)的復(fù)雜物理過(guò)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(guò)程的精確描述和求解十分困難。所以模擬飛機(jī)撞擊進(jìn)近燈光桿塔的撞擊問(wèn)題一般都采用顯式有限元算法。

1.1 LS-DYNA 軟件簡(jiǎn)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(dòng)態(tài)過(guò)程，求解各種幾何非線性、材料非線性和接觸非線性問(wèn)題，其顯式算法特別適合于分析各種非線性沖擊動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，如沖擊、爆炸、結(jié)構(gòu)撞擊等。

1.2 計(jì)算的基本假設(shè)

在有限元建模過(guò)程中，為簡(jiǎn)化計(jì)算采用了以下假設(shè)：

1）由于基于不同溫度的精確材料實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較難獲得，本分析中不考慮溫度對(duì)材料屬性的影響，使用溫度為常溫（RT取20℃）時(shí)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(jī)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(jiǎn)化，把飛機(jī)模型簡(jiǎn)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(guò)小的圓角都做了相應(yīng)處理，且其整個(gè)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(qiáng)大的建模工具，但與現(xiàn)代CAD軟件相比要弱的多，尤其對(duì)于復(fù)雜的模型，修改起來(lái)非常困難，并且ANAYS在創(chuàng)建模型之前，必須確定每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置以及每個(gè)單元的大小、形狀和連接，這樣非常繁瑣，并且容易出錯(cuò)。在現(xiàn)代的協(xié)同設(shè)計(jì)體系中，設(shè)計(jì)人員采用CAD軟件如Pro/E、UG、SolidWorks等進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(jì)人員和分析人員協(xié)同工作完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)任務(wù)。可以直接把設(shè)計(jì)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(guò)程，大大降低了分析人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，可以使其從繁重的幾何建模工作中脫離出來(lái)，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(lái)，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(jī)簡(jiǎn)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(jī)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(jī)和進(jìn)近燈光桿塔燈塔模型都采用ANSYS/LS-DYNA中的SOLID164實(shí)體單元，它是 8節(jié)點(diǎn)六面體單元，采用單點(diǎn)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(dòng)生成單元大小的特點(diǎn)，并在網(wǎng)格生成過(guò)程中自動(dòng)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(yàn)，在進(jìn)近燈光桿塔燈塔底端橫截面積最小處及與底板過(guò)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(jī)沿運(yùn)動(dòng)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(gè)底角添加了全約束。飛機(jī)質(zhì)量為6000Kg，速度為120Km/h，由于摩擦力相對(duì)于撞擊力小的多，因此可以忽略不計(jì)。

2.3 接觸界面的定義

因?yàn)榭梢耘卸w機(jī)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(duì)較大接觸面積的物體接觸中。采用自動(dòng)接觸（Au tomatic）算法，程序?qū)⒆詣?dòng)確定單元接觸面方向。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

對(duì)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(jì)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(shí)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(guò)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(shí)間歷程曲線如圖 6所示。在這一單元，在8ms時(shí)刻該單元有最大壓應(yīng)力10.38Gpa，在20ms時(shí)刻該節(jié)點(diǎn)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(shí)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(hào)為1344的節(jié)點(diǎn)沿 Z軸方向的時(shí)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(shí)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(yùn)動(dòng)的，在8ms以后因碰撞而反方向運(yùn)動(dòng)。燈塔在此節(jié)點(diǎn)的速度在8ms前基本是沿Z軸正方向，在飛機(jī)撞擊進(jìn)近燈光桿塔燈塔后，燈塔此節(jié)點(diǎn)在3ms時(shí)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(diǎn)1344沿Z軸方向的時(shí)間位移曲線

圖8 節(jié)點(diǎn)1344沿Z軸方向的時(shí)間速度曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

剛性進(jìn)近燈光桿塔燈塔受飛機(jī)撞擊的受力過(guò)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(jī)撞擊進(jìn)近燈光桿塔燈塔的最危險(xiǎn)點(diǎn)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(duì)易折結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(dòng)力學(xué)分析方法與工程實(shí)例[M].北京：中國(guó)水利水電出版社,2006.

[4]何濤,楊競(jìng),金鑫.ANSYS10.0 /LS-DYNA非線性有限元分析實(shí)例指導(dǎo)教程[M].機(jī)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(bào)（自然科學(xué)版）2009,23（4）：54-58.