某C型梁薄壁結構軸向沖擊性能研究

劉君義+屈直

【摘 要】針對C型梁這一金屬開口殼體結構應用于飛機客艙地板以下的支撐單元的情況，采用ANSYS/LS-DYNA軟件建立了該型結構有限元分析模型，分析了不同幾何參數對C型梁沖擊性能的影響，獲得了C型梁的各種幾何因素與沖擊失效形式、初始峰值載荷以及比吸能之間的關系作為工程研究所用。

【關鍵詞】C型梁；金屬開口殼體結構；適墜性；沖擊特性

C型梁作為一種金屬開口殼體結構，具有變形穩定、承載力穩定、變形行程長、初始沖擊力小、取材方便、易于更換、結構簡單以及比吸能高等優勢，受到了工程界的高度重視，取得了良好的經濟效益和社會效益。這種結構被廣泛用于飛機客艙地板下的支撐單元，能吸收大部分的撞擊能量，使機身獲得很好的沖擊失效模式。C型梁這種金屬開口殼體結構具有開口不封閉和非對稱的截面形式，其幾何參數對其沖擊性能的影響較大并且有較明確的變化趨勢。

本文對該型梁的沖擊特性進行了探究和分析。采用非線性有限元軟件ANSYS/LS-DYNA來模擬對C型梁的沖擊試驗，沖擊吸能性能分析指標包括結構失效形式、峰值載荷以及比吸能。根據飛機適墜性實驗的設計標準，飛機迫降的垂直接地速率一般在7m/s到10m/s之間。在飛機客艙載重配置上要求平均分配到每個支撐桿上的質量不超過500kg。根據這一標準，本次研究設定沖擊速率為7m/s，沖擊質量為400kg。

1 幾何參數的配置

C型梁的長度L，厚度C，腹板寬度A以及緣條寬度B將會在初始參數的基礎上被單獨進行考慮以獲得對沖擊特性影響的最佳結果，得到參數優化的水平確定范圍。參數設計要確保參數之間的相對獨立性，每次實驗中僅僅變化一種因素水平，其他因素保持固定不變，已減少多因素水平的干擾誤差。這種設計思路是參數變化設計的線性思維。在多因素優化設計中這種線性思維被經常用來確定參數的性質并據此得到參數優化的范圍。

厚度設為以0.2毫米的間隔從1.2毫米變化到2毫米，長度以100毫米的間隔從300毫米變化到700毫米。兩種變量腹板寬度A和緣條寬度B被選擇來比較不同截面的C型梁的結構破壞性質。腹板A被設為41毫米，82毫米，123毫米以及164毫米，緣條寬度根據不大于腹板寬度的原則設為15毫米，21毫米，41毫米以及82毫米。所有的這些參數變化都是在相對獨立的情形下，在初始設計參數的基礎上加以變化，通過控制相應的變量變化，來得到某些制定參數對沖擊性能的影響規律。并且將根據這些結果從中得到集幾何參數與沖擊性能的影響關系。

2 沖擊性能分析

本文主要研究C型梁的幾何因素對變形模式、力學行為以及吸能特性的影響，其衡量指標分別為失效變形形式，初始峰值載荷和比吸能。這些因素是梁結構的主要沖擊特性和適墜性能優化設計的主要指標。

圖2所示的是C型梁受沖擊的結構變形圖和載荷變化過程，其沖擊反應曲線非常典型。從圖中我們能看到兩種不同的變形階段，第一階段，稱為連續變形階段，初始載荷比較大，這表明了初始最大加速度出現在撞擊事件的開始，并且在接下載荷連續降低，第二階段，稱為全面屈曲階段，載荷變化出現一系列的峰值和谷值，梁的縮變會出現褶變直到位移后期載荷變化過程非常平緩。載荷曲線與梁的失穩變形有著一一對應的關系，載荷曲線中的每一次峰值都對應在失穩變形的一次褶變，形成了一個新的褶變點。

初始峰值載荷是載荷變化曲線與加速度變化曲線的第一個載荷峰值，這是分析C型梁沖擊特性的重要參數，其對C型梁的適墜性能具有很重要的意義，并影響到梁所支撐的客艙乘客的生存能力非常重要。

根據圖3所示實驗結果顯示，在相同橫截面幾何尺寸下，不同長度的C型梁初始峰值載荷變化范圍很窄，幾乎保持不變，這意味著長度對初始峰值載荷幾乎沒有影響。初始峰值載荷與腹板寬度、緣條寬度以及梁厚度均呈現線性正相關關系，橫向截面的幾何尺寸對C型梁的峰值載荷呈遞增函數關系。

圖4所示的是不同幾何因素變化得到的比吸能變化。隨著梁長度的增加，梁的失效變形將更快的進入第二階段即全面屈曲階段，而相比全面屈曲階段，第一階段能吸收更多的沖擊能量。我們的結果很好地吻合了這一理論。當長度是600毫米和700毫米時，比吸能幾乎不再變化。失效形式對能量吸收能力有很大的影響，這將影響到其他因素對能量吸收影響的分析。隨著梁厚度、緣條寬度的增加，比吸能都呈現線性增加的變化關系。

3 總結

（1） C型梁的沖擊失效變形可以明顯的分為連續變形階段和全面屈曲階段。

在第一階段沖擊載荷將隨著褶變的出現不斷產生峰值，每一次峰值載荷的出現都對應著一次褶變的產生。在第二階段沖擊載荷基本沒有大的起伏，甚至保持恒定，在這一階段梁變形主要是的褶變點的持續崩潰模式，不會再產生新的褶變點。并且，由于C型梁的開口不對稱幾何形式，不同幾何尺寸的梁沖擊變形兩種階段持續時間不同，甚至只會出現其中一種階段。

（2）初始峰值載荷只與梁的橫向尺寸有關，并且是一種線性增加函數的關系。初始峰值載荷與軸向尺寸幾乎沒有關系。

（3）比吸能隨著長度的減少將逐漸增加，因為長度的減少將帶來梁質量的減少，并且使梁的沖擊變形過早地進入第二階段從而吸收更多的沖擊能量。比吸能與梁厚度，輪緣寬度都有非線性的正相關關系，無法得出比吸能與腹板寬度的關系。

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[責任編輯：朱麗娜]