低冲击阻力方舱的设计与研究

2019-07-26金永男卢洪山

国防制造技术 2019年2期

金永男卢洪山

（辽宁陆平机器股份有限公司，辽宁铁岭，112001）

0 引言

低冲击阻力方舱主要放置在机场和靠近跑道的地方，通过其内部安装的雷达及各种电子监控设备，实现飞机起降监控的无人值守。项目要求设计一种新型舱体，既具有易折易碎特性，以减小飞机等高价值航空器在发生碰撞时的损失，同时又能具有足够的承载特性，在风速45m/s条件下不破坏。本文从舱体结构、主要材料的选择与试验、基于LS-DYNA的碰撞分析和ANSYS风载模拟分析等几方面对低冲击阻力方舱进行设计与研究。

1 方舱结构

方舱由6块复合板材通过包边、包角、角件等搭接而成。方舱外形图如图1所示，各复合板搭接形式见图2、图3。

复合板由框架、内蒙皮、外蒙皮、隔热桥和填充泡沫等经过压力粘接形成。三维模型及端面局部结构见图4、图5。

2 材料初选与特性参数试验

图1 低冲击阻力方舱外形图

根据新方舱的特性要求，初选各组成部分材料，并对主要材料的特性参数进行试验测量，以满足后续有限元分析需要的准确数据。

2.1 材料初选

（1）复合板

图2 各侧板搭接结构

图4 复合板三维模型

图6 玻璃钢样件尺寸

复合板的框架是承载的主体，考虑大开口框口对刚强度影响，初步选择为：框口侧复合板框架采用钢20#加铝型材组合，其他各面复合板框架采用一等红松；内、外蒙皮采用玻璃钢薄板；隔热桥采用聚氯乙烯板；填充泡沫采用硬质聚氨酯泡沫。

（2）其他材料

图3 顶、底板搭接结构

图5 复合板端面局部结构

图7 松木样件尺寸

图8 硬质聚氨酯泡沫样件尺寸

图9 三种试验样件

图10 三种样件试验后

表1 三种材料的力学特性参数

方舱外部包边采用玻璃钢材质角件，方舱外四角包角采用钢Q235，连接角件采用分段形式的铝型材。

2.2 材料特性参数试验

考虑到方舱的结构特性，材料特性参数试验以主体材料红松、玻璃钢及泡沫为主，其他材料特性参数引用机械设计手册中数据。

（1）拉伸试验

拉伸试验通过电子万能材料试验机CSS-44200完成，各材料样件尺寸见图6、图7、图8。

每种样件制作3个，分别试验。试验样件见图9，试验后样件见图10。

（2）材料密度

材料密度测定通过测量样件的体积和质量确定。

通过上述试验，测得的红松、泡沫和玻璃钢三种材料的力学特性参数见表1。

3 方舱碰撞易碎性分析

由于目前还没有方舱易碎性的技术规范和标准，本项目中方舱易碎性的计算条件参照中国民用航空局机场司《易折易碎杆塔通用技术要求及检测规范》的相关技术要求制订。

对于可能与航空器发生碰撞的易折易碎物，上述规范规定，在遭受质量3000kg，速度140km/h的航空器碰撞时必须易折易碎，并且在碰撞时，易折易碎杆体施加到航空器上的力应不大于45kN，航空器与易折易碎杆碰撞接触瞬间（约100ms），易折易碎杆施加给航空器的最大能量应不大于55kJ。

图11 方舱碰撞分析有限元模型

根据规范的要求，对于撞击物应当为刚性半圆形差距。方舱在初始设计时，考虑大开口框口对方舱刚强度影响，框口侧复合板框架采用的是钢20#加铝型材组合结构，经过分析，重新优化了该复合板结构，将原结构改为玻璃钢结构。

改进后的方舱重新进行碰撞分析，方舱能够破碎，在撞击时间60ms时方舱吸收能量达到了50kJ最大值，碰撞过程中最大冲击力为44kN，能够满足要求。碰撞过程见图13。

4 方舱结构改进后的风载分析

图12 方舱碰撞过程

方舱风载分析时，将要求风速（45m/s）下的风载荷等效成静态的风压施加在结构上面积最大的侧壁的轻质钢管，钢管长为1m或为最大截面尺寸的5倍，钢管壁厚不小于25mm，钢管外径不超过250mm。

本项目方舱碰撞分析采用显示动力学分析软件LS-DYNA完成。在有限元软件ANSYS中建立有限元模型（见图11），并导入LS-DYNA中计算。

分析中将钢管视为刚体，直径为250mm，刚体质量3000kg，撞击速度140m/h，撞击位置根据规范要求设定在方舱离地2.4m的位置，距舱顶1m，下包角底面全部约束。碰撞过程见图12。

方舱在上述条件下碰撞，能够破碎，在撞击时间45ms时方舱吸收能量达到了110kJ最大值，碰撞过程中最大冲击力为96.2KN。

试验表明，方舱能够破碎，但数据上与要求还有上，作为结构的最恶劣工况，考核结构在此工况下的静态强度。

建立三维有限元模型，并按如图14施加风载和约束。

风速为45m/s时的风压为1265.6Pa。计算结果为如图15、图16所示。

方舱在该风载作用下产生的最大变形为2.13mm，最大应力为36.35Pa，产生在方舱下部包角处。红松框架的最大应力为2.36MPa，泡沫的最大应力为0.0047MPa，铝型材的最大应力为36.35MPa，蒙皮的最大应力为3.93MPa，下钢制包角的最大应力为3.93MPa，均小于材料允许值，故方舱在风速45m/s时的结构是可靠的。