低沖擊阻力方艙的設計與研究

金永男 盧洪山

（遼寧陸平機器股份有限公司，遼寧 鐵嶺，112001）

0 引言

低沖擊阻力方艙主要放置在機場和靠近跑道的地方，通過其內(nèi)部安裝的雷達及各種電子監(jiān)控設備，實現(xiàn)飛機起降監(jiān)控的無人值守。項目要求設計一種新型艙體，既具有易折易碎特性，以減小飛機等高價值航空器在發(fā)生碰撞時的損失，同時又能具有足夠的承載特性，在風速45m/s條件下不破壞。本文從艙體結構、主要材料的選擇與試驗、基于LS-DYNA的碰撞分析和ANSYS風載模擬分析等幾方面對低沖擊阻力方艙進行設計與研究。

1 方艙結構

方艙由6塊復合板材通過包邊、包角、角件等搭接而成。方艙外形圖如圖1所示，各復合板搭接形式見圖2、圖3。

復合板由框架、內(nèi)蒙皮、外蒙皮、隔熱橋和填充泡沫等經(jīng)過壓力粘接形成。三維模型及端面局部結構見圖4、圖5。

2 材料初選與特性參數(shù)試驗

圖1 低沖擊阻力方艙外形圖

根據(jù)新方艙的特性要求，初選各組成部分材料，并對主要材料的特性參數(shù)進行試驗測量，以滿足后續(xù)有限元分析需要的準確數(shù)據(jù)。

2.1 材料初選

（1）復合板

圖2 各側板搭接結構

圖4 復合板三維模型

圖6 玻璃鋼樣件尺寸

復合板的框架是承載的主體，考慮大開口框口對剛強度影響，初步選擇為：框口側復合板框架采用鋼20#加鋁型材組合，其他各面復合板框架采用一等紅松；內(nèi)、外蒙皮采用玻璃鋼薄板；隔熱橋采用聚氯乙烯板；填充泡沫采用硬質聚氨酯泡沫。

（2）其他材料

圖3 頂、底板搭接結構

圖5 復合板端面局部結構

圖7 松木樣件尺寸

圖8 硬質聚氨酯泡沫樣件尺寸

圖9 三種試驗樣件

圖10 三種樣件試驗后

表1 三種材料的力學特性參數(shù)

方艙外部包邊采用玻璃鋼材質角件，方艙外四角包角采用鋼Q235，連接角件采用分段形式的鋁型材。

2.2 材料特性參數(shù)試驗

考慮到方艙的結構特性，材料特性參數(shù)試驗以主體材料紅松、玻璃鋼及泡沫為主，其他材料特性參數(shù)引用機械設計手冊中數(shù)據(jù)。

（1）拉伸試驗

拉伸試驗通過電子萬能材料試驗機CSS-44200完成，各材料樣件尺寸見圖6、圖7、圖8。

每種樣件制作3個，分別試驗。試驗樣件見圖9，試驗后樣件見圖10。

（2）材料密度

材料密度測定通過測量樣件的體積和質量確定。

通過上述試驗，測得的紅松、泡沫和玻璃鋼三種材料的力學特性參數(shù)見表1。

3 方艙碰撞易碎性分析

由于目前還沒有方艙易碎性的技術規(guī)范和標準，本項目中方艙易碎性的計算條件參照中國民用航空局機場司《易折易碎桿塔通用技術要求及檢測規(guī)范》的相關技術要求制訂。

對于可能與航空器發(fā)生碰撞的易折易碎物，上述規(guī)范規(guī)定，在遭受質量3000kg，速度140km/h的航空器碰撞時必須易折易碎，并且在碰撞時，易折易碎桿體施加到航空器上的力應不大于45kN，航空器與易折易碎桿碰撞接觸瞬間（約100ms），易折易碎桿施加給航空器的最大能量應不大于55kJ。

圖11 方艙碰撞分析有限元模型

根據(jù)規(guī)范的要求，對于撞擊物應當為剛性半圓形差距。方艙在初始設計時，考慮大開口框口對方艙剛強度影響，框口側復合板框架采用的是鋼20#加鋁型材組合結構，經(jīng)過分析，重新優(yōu)化了該復合板結構，將原結構改為玻璃鋼結構。

改進后的方艙重新進行碰撞分析，方艙能夠破碎，在撞擊時間60ms時方艙吸收能量達到了50kJ最大值，碰撞過程中最大沖擊力為44kN，能夠滿足要求。碰撞過程見圖13。

4 方艙結構改進后的風載分析

圖12 方艙碰撞過程

方艙風載分析時，將要求風速（45m/s）下的風載荷等效成靜態(tài)的風壓施加在結構上面積最大的側壁的輕質鋼管，鋼管長為1m或為最大截面尺寸的5倍，鋼管壁厚不小于25mm，鋼管外徑不超過250mm。

本項目方艙碰撞分析采用顯示動力學分析軟件LS-DYNA完成。在有限元軟件ANSYS中建立有限元模型（見圖11），并導入LS-DYNA中計算。

分析中將鋼管視為剛體，直徑為250mm，剛體質量3000kg，撞擊速度140m/h，撞擊位置根據(jù)規(guī)范要求設定在方艙離地2.4m的位置，距艙頂1m，下包角底面全部約束。碰撞過程見圖12。

方艙在上述條件下碰撞，能夠破碎，在撞擊時間45ms時方艙吸收能量達到了110kJ最大值，碰撞過程中最大沖擊力為96.2KN。

試驗表明，方艙能夠破碎，但數(shù)據(jù)上與要求還有上，作為結構的最惡劣工況，考核結構在此工況下的靜態(tài)強度。

建立三維有限元模型，并按如圖14施加風載和約束。

風速為45m/s時的風壓為1265.6Pa。計算結果為如圖15、圖16所示。

方艙在該風載作用下產(chǎn)生的最大變形為2.13mm，最大應力為36.35Pa，產(chǎn)生在方艙下部包角處。紅松框架的最大應力為2.36MPa，泡沫的最大應力為0.0047MPa，鋁型材的最大應力為36.35MPa，蒙皮的最大應力為3.93MPa，下鋼制包角的最大應力為3.93MPa，均小于材料允許值，故方艙在風速45m/s時的結構是可靠的。

圖13 方艙結構改進后碰撞過程

圖14 方艙三維有限元模型

5 結語

本文提出了一種全新的低沖擊阻力方艙結構形式，并就艙體結構、材料的選擇與試驗、三維模擬計算分析等方面進行了論述。結果表明，新設計的方艙能夠滿足易碎性和抗風性要求。

圖15 風速45m/s時方艙的變形

圖16 風速45m/s時方艙應力分布