儲液油箱晃振響應分析

吳早鳳，黃曉霞，秦利軍，熊 盼，江 鵬

（中航工業(yè)洪都，江西，南昌330024）

0 引 言

飛機油箱的燃油晃動是復雜的液固耦合過程：燃油晃動與油箱結構及整個系統(tǒng)的運動相互耦合，晃動產生沖擊力與晃動力矩， 易引起油箱結構強度問題； 同時， 液體晃動重心的變化影響全機的穩(wěn)定性。 傳統(tǒng)靜強度校核方法將燃油沖擊載荷等效為靜態(tài)慣性載荷考核油箱強度，與真實受載情況有差異，導致端框被過度考慮，隔板欠考慮。 為了盡可能真實地研究油箱結構在晃動環(huán)境下的結構響應， 結合某機整體油箱， 按CCAR25 部965 條燃油箱試驗條款要求，分析了油箱結構在晃振過程中的動響應。

1 燃油箱晃振理論研究

液體的晃動特性是由貯箱的幾何形狀、 內部構件（是否有防晃板、防晃板的形狀、數量及位置等）、液體充裝高度和外在激勵決定的[1]。 研究液體晃動問題的方法可以歸納為解析方法、 試驗方法和數值方法三種。 解析方法適用于簡單結構，小幅晃動問題，適用性有限。 試驗方法適用性廣，但是成本高。 數值算法計算速度快， 耗費人力物力少， 得到的信息豐富，因此是目前晃振研究的主要手段。

目前主要的數值研究方法有：Lagrangian、Eulerian、ALE 和SPH 法四種。 Lagrangian 法將流體簡化為有一定體積的拉格朗日固體， 利用接觸算法模擬流體與固體之間的相互作用。 物質的扭曲將導致計算網格的畸形，導致計算失敗。 Eulerian 法采用歐拉單元模擬流體流動。 歐拉單元實際上就是一個固定的參考系，在物體的變形過程中保持不變，材料可以在歐拉單元內流動。 任意拉格朗日/歐拉耦合方法又稱為ALE 方法，采用歐拉方法描述流體，采用任意拉格朗日/歐拉耦合方法模擬流體與固體結構之間的相互作用。 通過歐拉單元內部的流體對流場邊界的作用力模擬流體對拉格朗日單元的作用， 同時根據拉格朗日單元的變形情況修正流場邊界的位置和形狀。 SPH 方法作為一種純拉格朗日性質的無網格粒子自適應算法，主要用于處理大變形（波浪破碎、翻卷，爆炸）、跟蹤運動界面或者自由表面等問題。 綜上， 為了較好的模擬液面晃動以及油液與油箱之間的耦合作用， 任意拉格朗日/歐拉耦合方法開展燃油箱液固耦合分析。 該方法采用Lagrange 單元模擬油箱結構、Euler 單元模擬油箱內部燃油，通過Coupling來描述Lagrange 結構單元與Euler 流體單元之間傳遞的載荷[2]，拉格朗日-歐拉耦合分析過程中的液固耦合作用示意見圖1。

圖1 拉格朗日-歐拉耦合界面示意

2 某型油箱晃振分析

以某型整體油箱為研究對象， 利用PATRAN 軟件建立了該油箱的液固耦合模型， 通過DYTRAN 軟件計算，得到油液晃振狀態(tài)、各晃振狀態(tài)下油箱結構應力云圖以及典型結構部位處的應力時間歷程曲線，進而評估油箱強度，探討響應規(guī)律。

2.1 某型油箱液固耦合模型

由于燃油箱結構液固耦合分析不僅涉及到油箱結構有限元模型， 更重要的是對燃油流動狀態(tài)進行分析，因此，整體模型規(guī)模由結構有限元模型和燃油模型兩部分構成。 油箱結構主體為薄壁結構， 采用Shell 單元建立油箱結構有限元模型，采用Euler 單元模擬油箱內部燃油。從單元幾何形態(tài)來說，Shell 單元采用Cquad4 劃分網格，Euler 單元采用Hex8 單元劃分網格，忽略筋條及隔板框孔洞，建立油箱結構有限元模型。 為了模擬油箱支撐結構， 建立剛性支架支撐，然后將油箱模型安裝在剛性支架上，通過對剛性支架施加相應的載荷來模擬油箱實際的載荷環(huán)境。油箱及支撐結構具體模型如圖2 所示。 油箱結構Shell 元2565個， 剛性支架單元566個， 歐拉單元10231個。

圖2 某型油箱及支撐結構有限元模型

利用DYTRAN 中的TICEUL 卡定義燃油初始狀態(tài)，如圖3 所示。

圖3 油液初始時刻狀態(tài)

根據CCAR25 部第965 條燃油箱晃振試驗要求，油箱必須裝有2/3 油箱容量的水或其它合適試驗液，以每分鐘16個—20個整循環(huán)的速率繞最臨界的軸搖晃油箱，搖晃角度為水平面上下各15 度（共30度）[3]。 因此，對剛性支架上節(jié)點施加RX，激勵曲線如圖4 所示，峰值設置為0.27rad/s，激勵周期為3s。

圖4 油箱激勵晃動載荷

2.2 油箱晃振結果分析

為了直觀的比較油箱晃振液面狀態(tài)，給出了典型時刻（t=1.0、2.0、3.0s）的液面響應，如圖5-圖7 所示。

結果表明， 燃油運動狀態(tài)與激勵一致， 符合物理規(guī)律。 油箱結構典型時刻應力云圖如圖8-圖10所示。 應力云圖結果表明， 該晃振激勵下， 側壁單元mises 應力峰值大于端框應力， 且應力最大值出現(xiàn)的部位在靠近油箱底部側壁位置， 最大值為466MPa (t=2.37s)。

圖5 t=1.0s 時刻液面狀態(tài)

圖6 t=2.0s 時刻液面狀態(tài)

圖7 t=3.0s 時刻液面狀態(tài)

圖8 t=1.0s 時刻應力云圖

圖9 t=2.0s 時刻應力云圖

圖10 t=3.0s 時刻應力云圖

該現(xiàn)象主要是由于晃振激勵形式設置為xoz 平面內晃動，從而引起油液沖擊側壁板，致使壁板應力較大。 因此，針對不同晃振形式，油箱部件應力應分別考慮，選取最嚴重工況設計校核油箱。 為查看油箱結構應力，壓力變化，選取壁板及端框應力較大處典型單元，得其mises 應力時間歷程曲線如圖11-圖14所示。

圖11 側壁單元1257 內面mises 應力時間歷程曲線

圖12 側壁單元1544 內面mises 應力時間歷程曲線

由上述結果可得， 燃油箱結構運動過程由夾具運動支配， 燃油箱結構上的應力響應近似符合激勵規(guī)律，其響應周期與夾具運動周期一致。

圖13 某框單元8076 內面mises 應力時間歷程曲線

圖14 某框單元2013 內面mises 應力時間歷程曲線

3 結 論

本文基于DYTRAN 建立了某型油箱液體晃動數值模型， 模擬了油箱結構在晃振環(huán)境下的動力學行為和晃振響應。研究結果表明，基于DYTRAN 的液固耦合模型能較好的模擬油箱結構晃振現(xiàn)象， 計算結果可為真實試驗測試及結構設計提供參考。

[1]夏益霖. 液體推進劑貯箱的防晃設計.導彈與航天運載技術，1995(6).

[2]卞文杰. 瞬態(tài)動力學CAE 解決方案--MSC.Dytran 基礎教程，北京：北京大學出版社, 2001.

[3]中國民用航空條例第25 部，中國民用航空局.