油箱结构耐撞性的影响 ,研究多局限于分析油箱结构形式及材料的强度、韧性等方面 ,很少考虑液态燃油与油箱结构及机身结构的耐撞性之间联系。从目前来看 ,考虑燃油对结构耐撞性能的影响的研究鲜有报道。 Fasanella等[9]在进行 Boe2 ing 737机身框段及油箱结构耐撞性分析时 ,主要考虑了液态燃油的质量影响 ,将油箱内部燃油简化成集中质量放置在油箱结构模型的内部。这种模型忽略了在坠撞环境下燃油的晃动和泼溅过程
压力和黏性系
仿真分析模型 ,模型中考虑了油箱内部液体与油箱结构之间的流固耦合关系。利用任意拉格朗日/欧拉耦合分析方法计算了机身框段的垂直坠撞响应 ,研究了油箱内部液体的晃动和泼溅对整个机身框段坠撞响应的影响以及机身框段各部分结构的能量吸收情况。根据计算结果 ,给出了油箱内部液体容量和机身框段最大垂向压缩位移、最大过载及能量吸收等参数之间的曲线 ,提出了应急着陆时应采取的相应措施。
对油箱及机身结构的作用 ,这样的简化方法难以
数
; fi为 i方向上的单位质量的体积力。将上述全面反映整个机身框段系统的耐撞性能。实际上 方程和能量守恒方程在流场中任一封闭曲面所包
Fasanella等[9]也指出 ,要获得更加精确的计算结含的容积内进行积分 ,便可得到积分形式的控制方程。将得到的积分形式的方程在时域内积分 ,
1 油箱内部燃油建模的基本方法
燃油与油箱结构在坠撞条件下的相互作用属于典型的流固耦合问题 ,为了在分析结果中体现液态燃油对机身框段坠撞响应的影响 ,有必要采用流体动力学的方法描述燃油的动态响应过程。
自 Nor[ 15 ]和 Hirt等[ 16 ]在研究中心差分法时提出了 AL E描述方法的概念以来 ,该方法一直受到广大学者的关注。 AL E方法是目前应用的最为广泛的拉格朗日欧拉耦合模拟方法 ,在液体大幅度晃动、流固耦合、加工成型等领域获得了极大的成功。
AL E描述中同时包含 Lagrangian坐标系和 Eulerian坐标系。 AL E描述下的随体导数可表
示为 [ 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为某物理量 ; Xi为 Lagrangian坐标 ; xi为 Eulerian坐标 ; wi为 AL E描述下的对流速度 ,可用物质速度 vi和单元变形速度 ui表示为
wi=vi-ui (2)
由式 (1)可按张量形式写出 AL E描述下的基本方程
(1)质量守恒方程 ρ =-ρvi,j -wi(3)
ρi, j
(2)动量守恒方程 ρvi +ρw jvi,j = σij,j +ρfi (4)
(3)本构方程 σij =-pδij +μ(vi,j (5)
结合施主法便可计算得到穿越单元表面的质量、动量和能量的流量。
2 带油箱结构的机身框段的数值模型
在机身框段建模过程中 ,对结构进行了一定的简化 ,如忽略了铆钉、镙钉、连接销等的影响 ,模型中也不包括真实机身框段所应有的舷窗、舱门等结构 ,乘员和座椅系统用集中质量模拟。机身框段主要由机身框结构、油箱结构、油箱内部的水、撞击面几部分构成 ,整个模型及各部分模型如图 1所示。
在建模过程中 ,假设整个机身框段包括油箱结构都采用了 3种各向同性的线性硬化弹塑性材料 : Al220242T3 ,Al270752T6和自定义铝合金材料。采用 von Mises屈服条件和各向同性硬化法则来描述材料进入塑性变形区后的应力状态 ,采用最大失效等效塑性应变描述材料的破坏形式 ,采用理想线性无黏流体材料模拟油箱内部的水。乘员和座椅约束系统等舱内设备用连接到地板上集中质量模拟 ,撞击面为刚性平面。整个模型中的各个部分所用的材料及其各项力学参数如表 1所示。整个机身框段模型包括 10 821个结点 , 13 774个单元 ,其中 10 212个壳单元 ,1 512个梁单元 ,2 040个欧拉体单元。模型所包含的拉格朗日单元中 ,所有梁单元均采用 Hughes2Liu理论。
3 坠撞初始条件及约束处理
坠撞初速度为 121 81 m/s,方向与撞击刚性平面的法线方向平行 ,并且指向刚性平面。为了研究油箱内部装有的水对机身框段抗坠撞性能的影响 ,油箱内分别装有从 1171 9L到 2 135 L不等容积的水。模型中考虑了重力的影响。
图 1 模拟机身框段的各组成部分有限元模型 Fig1 1 Finite element model of components
表 1 模型中的各个部件及其材料力学性能参数 Table 1 Materials and behavior of components
弹性模量 密度 屈服应力 硬化模量 失效塑性体积模量 部 件材 料/ GPa泊松比/ (kg ·m-3)/MPa/MPa应变 / %/GPa
机身加强框 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
油箱连接梁 Al270752T6 71102 0133 2794 360 10011 841 49
纵向长绗 Al270752T6 71102 0133 2794 360 10011 841 49
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