基于ANSYS/LS-DYNA的进近灯光杆塔撞击应力数值仿真

2011-02-19张积洪李德根

制造业自动化 2011年3期

张积洪，李德根

ZHANG Ji-hong，LI De-gen

（中国民航大学航空自动化学院，天津 300300）

0 引言

在机场内，各种各样的目视助航设施（例如进近灯光杆塔、气象设备、无线电导航设施）安装在靠近跑道、滑行道和机坪之处，飞机在着陆、起飞或地面操作中，偶然会碰撞上这些设施，而一旦碰撞上，必将会对飞机造成一定程度的损坏，所以这些设施设备及其支撑结构要求必须是易折的，并且其安装高度要尽可能地低，以保证飞机在碰撞到这些设施设备时不致失控。刚性设计（左）的进近灯光站点正在由新的易折结构（右）代替，如图1所示。

图1 刚性设计（左）的进近灯光站点正在由新的易折结构（右）代替

本文从应力的角度，采用有限元分析的方法，试图得到进近灯光杆塔灯塔在撞击过程中的应力，并进而分析进近灯光杆塔破断的原因，为易折结构的优化设计及其强度的提高提供一种方法和手段。

1 显式有限元动力分析的理论基础

碰撞过程是一个瞬态的复杂物理过程，它包含以大位移、大应变为特征的几何非线性和以材料弹塑性变形为典型特征的材料非线性，这些非线性物理现象的综合作用结果使进近灯光杆塔塔碰撞过程的精确描述和求解十分困难。所以模拟飞机撞击进近灯光杆塔的撞击问题一般都采用显式有限元算法。

1.1 LS-DYNA 软件简介

LS-DYNA 是功能齐全的非线性分析程序包，可以模拟各种复杂的非线性动态过程，求解各种几何非线性、材料非线性和接触非线性问题，其显式算法特别适合于分析各种非线性冲击动力学问题，如冲击、爆炸、结构撞击等。

1.2 计算的基本假设

在有限元建模过程中，为简化计算采用了以下假设：

1）由于基于不同温度的精确材料实验数据较难获得，本分析中不考虑温度对材料属性的影响，使用温度为常温（RT取20℃）时的材料参数，并应用于分析所有情况。

2）为了方便有限元的分析，飞机结构模型和进近灯光杆塔灯塔的结构做了相应的简化，把飞机模型简化为同等质量的外形规整的刚体，而进近灯光杆塔灯塔结构中过小的圆角都做了相应处理，且其整个模型的高度缩小了三倍。

2 有限元仿真模型

2.1 建模及网格划分

ANSYS虽然也有功能强大的建模工具，但与现代CAD软件相比要弱的多，尤其对于复杂的模型，修改起来非常困难，并且ANAYS在创建模型之前，必须确定每个节点的位置以及每个单元的大小、形状和连接，这样非常繁琐，并且容易出错。在现代的协同设计体系中，设计人员采用CAD软件如Pro/E、UG、SolidWorks等进行结构设计，分析人员采用CAE软件如ANSYS、Marc等进行结构分析，设计人员和分析人员协同工作完成产品设计任务。可以直接把设计人员创建的CAD结构模型导入到CAE软件中进行分析，则省去了在CAE软件中复杂的建模过程，大大降低了分析人员的劳动强度，可以使其从繁重的几何建模工作中脱离出来，而把更多的精力用于提高有限元模型精度、研究分析方法等上来，从而提高工作效率[1]。

由于在SolidWorks中建模更方便，所以在SolidWorks中完成飞机简化模型、进近灯光杆塔灯塔的三维模型，然后导入ANSYS/LS-DYNA中，导入后的模型如图2所示，飞机和进近灯光杆塔灯塔模型的该材料的弹性模量 E= 210GPa，泊松比=0.28，屈服极限σ=620MPa，密度=7.7×103kg/m3。飞机和进近灯光杆塔灯塔模型都采用ANSYS/LS-DYNA中的SOLID164实体单元，它是 8节点六面体单元，采用单点积分和沙漏控制算法。采用ANSYS/LS-DYNA自由网格划分，它具有自动生成单元大小的特点，并在网格生成过程中自动生成合理的形状单元。

图2 导入后的模型

根据以往灯塔发生破坏的经验，在进近灯光杆塔灯塔底端横截面积最小处及与底板过渡处断裂的可能性比较大，为了更准确地体现模型局部的受力状况，故在此处细化网格划分。进近灯光杆塔灯塔局部网格细化后的结果如图3所示，划分网格后的有限元模型如图4所示。

图3 局部网格细化

图4 划分网格后的有限元模型

2.2 约束及载荷的添加

飞机沿运动方向Z正向撞击进近灯光杆塔灯塔，因此在进近灯光杆塔灯塔的四个底角添加了全约束。飞机质量为6000Kg，速度为120Km/h，由于摩擦力相对于撞击力小的多，因此可以忽略不计。

2.3 接触界面的定义

因为可以判定飞机前端面和进近灯光杆塔灯塔圆柱面碰撞接触，因此采用ANSYS/LS-DYNA中的表面-表面（Su rface to Su rface）接触类型，面面接触是ANSYS/LS-DYNA中常用的一种接触类型,一般用于任意形状有相对较大接触面积的物体接触中。采用自动接触（Au tomatic）算法，程序将自动确定单元接触面方向。

3 计算结果及分析

对于上面所建立的有限元仿真模型,经求解可以得到进近灯光杆塔灯塔的应力、位移等数据。利用ANSYS/LS-DYNA处理程序可以得到灯塔的应力、位移等数据和图像。将 LS-DYNA 的计算结果导入到后处理软件LSPREPOST中，可以得到进近灯光杆塔灯塔在不同时刻的应力位移等分布，以及方便查看求解的历程关系。

3.1 应力分析

进近灯光杆塔灯塔的应力云图如图5所示，由应力云图可以看出，在进近灯光杆塔灯塔的底部、靠近底板处和距离尾端一定距离处（横截面面积较小的那部分）的应力较大。进近灯光杆塔灯塔在碰撞过程中的断裂主要发生在横截面面积较小处，由应力云图可以看到在这一区域包含应力最大的区域，其中横截面面积最小处单元4364处的应力最大。单元 4364处Z向应力时间历程曲线如图 6所示。在这一单元，在8ms时刻该单元有最大压应力10.38Gpa，在20ms时刻该节点有最大的拉应力4.0Gpa，拉应力小于材料的屈服极限，而压应力大于材料的屈服极限，因此进近灯光杆塔灯塔的断裂是在撞击的直接作用下发生。

图5 进近灯光杆塔灯塔的应力云图

图6 单元4364应力时间历程曲线

3.2 速度位移分析

图7和图8为位于进近灯光杆塔灯塔靠近底板的编号为1344的节点沿 Z轴方向的时间位移曲线和速度位移曲线。从图7中可以看出靠近底板的位移在8ms以前是随时间增大而不断增加的，由此可以判断灯塔在8ms以前一直是沿Z轴正方向运动的，在8ms以后因碰撞而反方向运动。灯塔在此节点的速度在8ms前基本是沿Z轴正方向，在飞机撞击进近灯光杆塔灯塔后，灯塔此节点在3ms时速度达到0.8m/s。在8ms后，进近灯光杆塔灯塔速度开始下降。