無傘空投儲液罐的高空跌落仿真分析

張宇婷，耿小凱，任春華，計(jì)宏偉

無傘空投儲液罐的高空跌落仿真分析

張宇婷1，耿小凱2，任春華1，計(jì)宏偉1

（1.天津商業(yè)大學(xué)，天津 300134；2.河北金后盾塑膠有限公司，河北 邢臺 054000）

為提高液體類空投物資補(bǔ)給效率，研究橢球型結(jié)構(gòu)的無傘空投儲液罐跌落沖擊地面過程的力學(xué)響應(yīng)。基于歐拉-拉格朗日耦合算法，建立含有內(nèi)盛物的橢球形儲液罐有限元模型，通過Abaqus CAE仿真跌落得到罐壁材料層為聚乙烯-發(fā)泡-聚乙烯在不同厚度比條件下含內(nèi)盛物跌落的最大等效塑性應(yīng)變（簡稱最大塑性應(yīng)變）云圖、應(yīng)力-時間曲線。不同層間厚度比與儲液罐的最大塑性應(yīng)變、塑性應(yīng)變的時間和應(yīng)變集中區(qū)域有密切聯(lián)系，當(dāng)厚度比為1∶2∶1時，罐體達(dá)到最大塑性應(yīng)變的時間短，把手部位出現(xiàn)應(yīng)變集中現(xiàn)象的概率增大；厚度比為1∶1∶2時，罐體的塑性應(yīng)變相對降低，抗沖擊能力沒有達(dá)到理想優(yōu)化效果；厚度比為1∶1∶2時，罐體的塑性應(yīng)變最小，在此情況下能承受的沖擊地面的瞬時速度最大，罐體的結(jié)構(gòu)性能最好?；诖颂岢隽艘环N結(jié)構(gòu)優(yōu)化思路，在添加中間發(fā)泡層以減輕配重的基礎(chǔ)上，適當(dāng)增加外層聚乙烯材料的厚度或者使用緩沖性能更好的材料，增加罐壁的緩沖吸能，改善材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

無傘空投；儲液罐；有限元模擬；力學(xué)響應(yīng)；等效塑性應(yīng)變

空投是通過直升機(jī)等航空裝置將指定運(yùn)輸?shù)难b備物資從空中投送到預(yù)定地點(diǎn)的過程，是一種方便、快捷、高效的物資運(yùn)輸方式?？胀都夹g(shù)不僅是作戰(zhàn)過程中輸送武器裝備和物資器材的主要方式，也是應(yīng)對自然災(zāi)害過程中物資投送的重要保障手段[1—3]。2008年汶川大地震的抗震救災(zāi)行動中，為迅速實(shí)現(xiàn)救援任務(wù)，中國軍隊(duì)派出大量運(yùn)輸機(jī)和直升機(jī)采用空降空投的方式來向?yàn)?zāi)區(qū)運(yùn)送救災(zāi)物資，保障災(zāi)區(qū)人民的生活和醫(yī)療衛(wèi)生的需求。目前，有傘空投是進(jìn)行物資裝備運(yùn)輸?shù)闹饕端托问?，其具有前期?zhǔn)備工作繁雜、降落傘使用成本高等缺點(diǎn)，造成資源的大量浪費(fèi)，同時受氣候、地面環(huán)境等因素影響，在應(yīng)對某些自然災(zāi)害時有傘空投不能及時有效地投送應(yīng)急物資裝備。隨著包裝防護(hù)技術(shù)和緩沖材料技術(shù)的發(fā)展，以及在實(shí)際作業(yè)中對安全高效的需求不斷提高，無傘空投技術(shù)因其包裝簡單、資源利用率高、受環(huán)境因素影響小、實(shí)施迅捷等特點(diǎn)逐漸受到學(xué)者們的重視，成為國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)[2—4]。目前，無傘空投的研究主要集中在兩大方面：空投裝備的結(jié)構(gòu)優(yōu)化[5—6]和研制更加可靠耐用的緩沖裝置[7—12]。

在無傘空投中，橢球形儲液罐廣泛用于液體類應(yīng)急物資的運(yùn)輸，文中選用的儲液罐主要材質(zhì)為高密度聚乙烯，罐壁為3層材料結(jié)構(gòu)，中間材料為發(fā)泡結(jié)構(gòu)，用以減輕配重和吸收沖擊能量，罐體表面具有均勻分布的加強(qiáng)肋結(jié)構(gòu)，能夠增加整體的抗沖擊性能。為了驗(yàn)證無傘空投儲液罐的實(shí)用性、有效性和可靠性，需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)驗(yàn)證，而進(jìn)行空投試驗(yàn)往往需要耗費(fèi)大量的人力物力，且每次試驗(yàn)跌落對儲液罐具有一定的破壞性，導(dǎo)致試驗(yàn)所需的研究成本較高。隨著有限元技術(shù)的發(fā)展和完善，計(jì)算機(jī)仿真模擬因其方便可靠的優(yōu)點(diǎn)逐漸成為研究空投跌落動力學(xué)響應(yīng)的重要研究手段[13—15]。模擬過程采用以下假設(shè)進(jìn)行建模。

1）空投裝備的緩沖完全靠罐體產(chǎn)生，不考慮降落的氣動阻力，沒有附加其他的緩沖裝置。

2）罐體內(nèi)部各處壓力相同且罐體壁厚均勻。模擬過程中罐體等效為理想化模型，不考慮由于制作工藝帶來的誤差。

3）罐體主要由3層材料組成，且均假設(shè)厚度均勻，3層材料總厚度為0.02 m。跌落時視作1個整體，即跌落過程中各部分連接緊密，忽略材料層與層之間連接力的影響。

建模時默認(rèn)罐體為塑性材料，具有理想塑性行為。文中以橢球形無傘空投儲液罐為研究對象，基于歐拉-拉格朗日耦合方法進(jìn)行建模，結(jié)合Abaqus CAE軟件，在保證總厚度固定的條件下，改變儲液罐3層材料結(jié)構(gòu)的層間厚度比，模擬其跌落力學(xué)響應(yīng)，并進(jìn)行深入研究，對比分析不同層間厚度比對罐體性能的影響，根據(jù)應(yīng)變分布特征進(jìn)行彈塑性分析，為有效進(jìn)行液體類應(yīng)急物資無傘空投的緩沖包裝設(shè)計(jì)提供理論參考。

1 有限元模型

1.1 儲液罐結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)測量

在空投著陸瞬間，罐體受極大的沖擊載荷作用，容易造成較大的變形和塑性硬化，對于結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、緩沖性能、抗沖擊性能等提出來很大的要求。文中對3種層間厚度比的橢球型儲液罐沖擊地面過程進(jìn)行模擬，并將模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析，評價罐體的結(jié)構(gòu)性能。

罐體材質(zhì)為高密度聚乙烯，采用一體成型的橢球形結(jié)構(gòu)；所有棱角均圓角化，緩解罐體與地面接觸產(chǎn)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象；跌落時罐體的3層結(jié)構(gòu)材料緩沖吸能，無其他緩沖裝置。

罐體包括3層材料[4]，其結(jié)構(gòu)見圖1，3層材料結(jié)構(gòu)見圖2。罐壁最外層原料與最內(nèi)層原料均為高密度聚乙烯（密度為950 kg/m3），內(nèi)外層聚乙烯材料的基本力學(xué)參數(shù)見表1。中間緩沖層為發(fā)泡材料（密度為166 kg/m3），用來降低罐體總質(zhì)量并吸收沖擊。在Abaqus模擬前，為保證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，在進(jìn)行中間發(fā)泡層的材料定義時，中間層材料的性能依據(jù)塑料拉伸性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 1040.1—2018），通過萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)測得，直接將處理得到的名義應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)輸入Abaqus材料庫中進(jìn)行仿真分析，具體參數(shù)見表2。

模擬過程中，采用飲用水為主要內(nèi)盛物，其密度為996 kg/m3，粘度為0.01 Pa·s，體積模量為2.094 GPa。

1.2 流固耦合方法

無傘空投儲液罐跌落模擬采用流固耦合方法，將罐體作為固體域與罐內(nèi)飲用水作為流體域進(jìn)行物理場耦合，并利用分離解法求取控制方程，完成流固耦合交界面的數(shù)據(jù)傳遞。

圖1 空投儲液罐結(jié)構(gòu)

圖2 3層材料結(jié)構(gòu)

表1 聚乙烯材料參數(shù)

連續(xù)性方程見式（1）：

(1)

式中：為流體密度；U為質(zhì)點(diǎn)的速度矢量；x為空間坐標(biāo)矢量。

動量方程（N-S方程）見式（2）：

(2)

表2 中間發(fā)泡層材料非線性應(yīng)力-應(yīng)變參數(shù)值

式中：和為質(zhì)點(diǎn)的速度矢量；和為空間坐標(biāo)矢量；M為變形速率張量。

能量方程：

(3)

式中：為熱傳導(dǎo)系數(shù)；為流體溫度。

固體控制方程：

(4)

式中：s為固體介質(zhì)密度；s為固體厚度。流固耦合遵循守恒原則。

為保證計(jì)算精度和效率，選用CEL方法進(jìn)行跌落運(yùn)動的流固耦合分析。文中所述罐體整體為六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，按照實(shí)體內(nèi)外層的厚度將罐體模型分為3層，均采用拉格朗日單元建模，3層結(jié)構(gòu)的單元類型均為C3D8R，分別進(jìn)行每層材料的參數(shù)定義；液體內(nèi)盛物采用歐拉單元建模（3D，Eulerian），單元類型為EC3D8R。

流固耦合過程中建立罐體內(nèi)液體的初始形狀，通過體積分?jǐn)?shù)工具（Volume Fraction Tool）定義歐拉體的初始流域，同時將流體材料賦予給歐拉網(wǎng)格。歐拉體的尺寸設(shè)置為500 mm×500 mm×500 mm正方體空間，包圍整個跌落系統(tǒng)，與地面的接觸為顯示通用行為接觸（General contact，Explicit），整體裝配見圖3。整個仿真過程采用顯式動力學(xué)（Dynamic Explicit）模塊進(jìn)行，包括35 937個歐拉單元和115 056個拉格朗日單元。

圖3 流固耦合模型

1.3 跌落工況模擬

無傘空投技術(shù)屬于中高空物體跌落，跌落過程近似于自由落體。借助Abaqus CAE有限元分析軟件，按照接觸地面不同的瞬時速度值進(jìn)行儲液罐的跌落仿真分析。跌落過程的模擬需要創(chuàng)建剛性地面部件，地面材質(zhì)為混凝土，部件類型為均質(zhì)殼體表面（Deformable Shell Planar），彈性模量為20 GPa，泊松比為0.15，密度為2500 kg/m3。為了分析材料層對儲液罐性能的影響，保持總厚度值不變，改變3層結(jié)構(gòu)厚度值進(jìn)行模擬，建立內(nèi)層聚乙烯-中間發(fā)泡層-外層聚乙烯厚度比為1∶2∶1（Ⅰ類）、2∶1∶1（Ⅱ類）和1∶1∶2（Ⅲ類）的3種分析工況。

參考彈塑性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，以應(yīng)力下降至強(qiáng)度極限的10%之前最后記錄的數(shù)據(jù)點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)變?yōu)椴牧蠑嗔褬?biāo)稱應(yīng)變，罐體等效塑性應(yīng)變（PEEQ，簡稱最大塑性應(yīng)變）為：

(5)

罐體材料最大等效塑性應(yīng)變必須滿足條件：

(6)

式中：ε為材料的最大等效塑性應(yīng)變；tb為材料的斷裂標(biāo)稱應(yīng)變。經(jīng)計(jì)算得到，該類聚乙烯材料斷裂標(biāo)稱應(yīng)變?yōu)?.1929，對應(yīng)應(yīng)力為32.0367 MPa，對應(yīng)的總應(yīng)變?yōu)?.2141。

2 結(jié)果與討論

2.1 Ⅰ類儲液罐跌落的仿真分析

現(xiàn)有的儲液罐材料結(jié)構(gòu)的層間厚度比近似為1∶2∶1，首先通過Abaqus CAE軟件對儲液罐的空投過程進(jìn)行模擬仿真試驗(yàn)，并提取出儲液罐以不同瞬時速度（9.9，14.0，17.1，19.8，22.1，24.2 m/s）沖擊地面的最大塑性應(yīng)變和所用時間，詳細(xì)結(jié)果見表3，儲液罐危險點(diǎn)位置達(dá)到最大等效塑性應(yīng)變時刻云圖見圖4。由表3可知，該時間規(guī)律呈線性變化且逐漸降低；同時瞬時沖擊速度與最大塑性應(yīng)變具有直接聯(lián)系，最大塑性應(yīng)變隨瞬時速度的增加呈遞增關(guān)系。同時由等效塑性應(yīng)變云圖可知，罐體在跌落時，主要變形位置均在罐體底部，整體未發(fā)生較大變形或破壞；當(dāng)沖擊速度為24.2 m/s時，只有局部位置有較大的等效塑性應(yīng)變，難以出現(xiàn)明顯破損現(xiàn)象，這符合聚乙烯材料的高彈塑性[17]。

表3 Ⅰ類儲液罐的塑性應(yīng)變參數(shù)

在儲液罐沖擊地面過程中，罐體底面將率先接觸地面，應(yīng)變區(qū)域主要集中在底部倒角處。由圖5a可知，為了便于分析3層材料結(jié)構(gòu)的受力情況，在罐體中間截面上作法線′，使其與倒角處曲率半徑重合且過倒角中心點(diǎn)。在直線′上選取位于罐體壁上外層、中層、內(nèi)層這3個位置的單元節(jié)點(diǎn)（單元節(jié)點(diǎn)1、單元節(jié)點(diǎn)2、單元節(jié)點(diǎn)3），在模擬結(jié)果中提取各個單元節(jié)點(diǎn)以瞬時速度為24.2 m/s沖擊地面情況下的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力隨時間的變化情況。罐壁上外、中、內(nèi)3層材料單元的應(yīng)力-時間曲線見圖5b。由曲線圖可知，罐體該部位單元節(jié)點(diǎn)應(yīng)力值均未超過屈服極限，內(nèi)壁單元節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力值最高，外壁次之，中間發(fā)泡層的應(yīng)力值最低。這是由于內(nèi)壁同時受到跌落造成外部沖擊和內(nèi)部液體流動產(chǎn)生的耦合作用，使得跌落過程中罐體內(nèi)壁單元的應(yīng)力值普遍大于外壁單元的應(yīng)力值。

2.2 Ⅱ類儲液罐跌落的仿真分析

在不改變總厚度的條件下，為了研究緩沖層厚度對沖擊性能的影響，加大內(nèi)層厚度，減小中間緩沖層厚度，使其厚度比為2∶1∶1進(jìn)行跌落模擬。Ⅱ類儲液罐以不同瞬時速度沖擊地面的等效塑性應(yīng)變云圖見圖6，儲液罐等效塑性應(yīng)變的詳細(xì)參數(shù)見表4，其變化規(guī)律與2.1節(jié)工況下基本相同。塑性應(yīng)變主要分布在罐體底部與地面接觸位置周圍，隨著沖擊速度增加，等效塑性應(yīng)變逐漸增大，塑性應(yīng)變區(qū)域增大。相較于2.1節(jié)Ⅰ類儲液罐，應(yīng)變集中現(xiàn)象改善，最大塑性應(yīng)變增加趨勢減緩，最大塑性應(yīng)變出現(xiàn)的時間延遲，相同瞬時速度跌落產(chǎn)生的最大塑性應(yīng)變增大，即允許的跌高降低。

圖4 Ⅰ類儲液罐的等效塑性應(yīng)變云圖

圖5 Ⅰ類儲液罐的單元節(jié)點(diǎn)選取與應(yīng)力-時間曲線

圖6 Ⅱ類儲液罐的等效塑性應(yīng)變云圖

表4 Ⅱ類儲液罐的塑性應(yīng)變參數(shù)

分析倒角位置的應(yīng)力變化，見圖7a，在直線′上選取位于罐體壁上外層、中層、內(nèi)層等3個位置的單元節(jié)點(diǎn)（單元節(jié)點(diǎn)1、單元節(jié)點(diǎn)2、單元節(jié)點(diǎn)3）。儲液罐以24.2 m/s沖擊地面時3個單元節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力-時間曲線見圖7b。罐體內(nèi)壁單元節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力值最高，外壁次之，中間發(fā)泡層的應(yīng)力值最低。同一位置內(nèi)層單元應(yīng)力仍然最大，同時最大應(yīng)力在2.2 μs時超過材料強(qiáng)度極限。雖然該種材料結(jié)構(gòu)能改善應(yīng)變集中，但由于中間緩沖層厚度減小，發(fā)泡材料的吸能作用降低，使得罐體內(nèi)壁所受沖擊增大。

2.3 Ⅲ類儲液罐跌落的仿真分析

在不改變總厚度的前提下，增大內(nèi)層厚度，減小中間緩沖層厚度，使其厚度比為1∶1∶2進(jìn)行跌落模擬，所得的等效塑性應(yīng)變云圖見圖8，并提取出儲液罐以不同瞬時速度沖擊地面的詳細(xì)參數(shù)，見表5。相較于前2種材料結(jié)構(gòu)罐體的最大塑性應(yīng)變明顯降低，且均小于斷裂標(biāo)稱應(yīng)變。為找出該材料結(jié)構(gòu)下儲液罐塑性應(yīng)變在彈塑性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則范圍內(nèi)的最大沖擊速度，進(jìn)一步改變速度值，計(jì)算塑性應(yīng)變和損傷演變分析，當(dāng)最大塑性應(yīng)變小于斷裂標(biāo)稱應(yīng)變時，所對應(yīng)的最大沖擊速度值為26.2 m/s。

為了便于分析3層材料結(jié)構(gòu)的受力情況，見圖9a，在直線′上選取位于罐體壁上外層、中層、內(nèi)層等3個位置的單元節(jié)點(diǎn)（單元節(jié)點(diǎn)1、單元節(jié)點(diǎn)2、單元節(jié)點(diǎn)3）。罐體以24.2 m/s速度沖擊地面時3個單元節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力-時間曲線見圖9b。由曲線圖可知，當(dāng)材料層厚度比為1∶1∶2時，同樣是外部節(jié)點(diǎn)首先達(dá)到應(yīng)力最大值，內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力值最大（31.16 MPa），未超過材料屈服極限，且達(dá)到最大值的時間明顯延遲。

2.4 3種材料結(jié)構(gòu)對比

對比3種材料結(jié)構(gòu)以24.2 m/s速度沖擊地面時的應(yīng)力相關(guān)參數(shù)可知，液體空投罐的最大應(yīng)力、應(yīng)力變化和應(yīng)變集中區(qū)域與材料層的厚度比有明顯聯(lián)系。由圖10可知，從罐體單元達(dá)到最大應(yīng)力值的時間上看，Ⅰ類儲液罐應(yīng)力在1.0 μs達(dá)到最大值，Ⅱ類儲液罐應(yīng)力在0.9 μs時刻達(dá)到最大值，Ⅲ類儲液罐應(yīng)力在2.5 μs時刻達(dá)到最大值；從最大應(yīng)力值上看，Ⅰ類儲液罐的最大應(yīng)力為28.99 MPa，Ⅱ類儲液罐的最大應(yīng)力為36.21 MPa，Ⅲ類儲液罐的最大應(yīng)力為31.16 MPa，罐體的最大應(yīng)力值較高。

圖7 Ⅱ類儲液罐的單元節(jié)點(diǎn)選取與應(yīng)力-時間曲線

圖8 Ⅲ類材料結(jié)構(gòu)儲液罐的等效塑性應(yīng)變云圖

表5 Ⅲ類儲液罐的塑性應(yīng)變參數(shù)

圖9 Ⅲ類儲液罐的單元節(jié)點(diǎn)選取與應(yīng)力-時間曲線

圖10 3種材料結(jié)構(gòu)的內(nèi)層單元Mises應(yīng)力

對比3種儲液罐最大塑性應(yīng)變達(dá)到斷裂標(biāo)稱應(yīng)變的跌落高度，Ⅰ類儲液罐所能承受的最大沖擊速度為23.2 m/s；Ⅱ類儲液罐所能承受的最大沖擊速度為22.6 m/s；Ⅲ類儲液罐所能承受的最大沖擊速度為26.2 m/s，很明顯Ⅲ類儲液罐在彈塑性理論范圍內(nèi)的承載能力和抗沖擊強(qiáng)度最高。

對比3種儲液罐在不同高度跌落的塑性應(yīng)變數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)不同層間厚度比與罐體的最大塑性應(yīng)變、塑性應(yīng)變時刻和應(yīng)變集中區(qū)域有明顯聯(lián)系。從最大塑性應(yīng)變上看，Ⅰ類儲液罐的最大塑性應(yīng)變總體上小于其他2種材料結(jié)構(gòu)的最大塑性應(yīng)變；從達(dá)到最大塑性應(yīng)變時間和應(yīng)變區(qū)域上看，Ⅰ類儲液罐達(dá)到最大塑性應(yīng)變的時間較短，特殊部位容易出現(xiàn)明顯的應(yīng)變集中現(xiàn)象，Ⅲ類儲液罐達(dá)到最大塑性應(yīng)變的時間最長，其材料結(jié)構(gòu)更好，可利用性更高。綜上所述，適當(dāng)增加中間緩沖層的厚度能夠在一定程度上吸收跌落產(chǎn)生的沖擊，減小內(nèi)層應(yīng)力；適當(dāng)增加外層聚乙烯的厚度能有效降低罐體塑性應(yīng)變，提高空投質(zhì)量。由于把手部位的結(jié)構(gòu)因素，在跌落時容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，尤其是當(dāng)瞬時速度大于24.2 m/s時，此影響較為明顯，因此將把手部位進(jìn)行面倒圓處理能夠在一定程度上改善結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，提高承載能力。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化思路

參考上述模擬結(jié)果，文中提出從以下幾方面提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計(jì)。

1）加縱向肋結(jié)構(gòu)。為減緩罐體變形和內(nèi)部液體流動造成的局部壓力變大現(xiàn)象，避免液體空投罐在跌落瞬間產(chǎn)生較大變形發(fā)生破壞，最直接的方法是采取圓角化過渡、增加局部厚度等措施改良罐體結(jié)構(gòu)。同時由結(jié)果云圖顯示，罐體肋部應(yīng)變值明顯小于其他部位，說明在罐體表面增加圓肋能有效增加罐體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，提高抗沖擊性能，可以考慮在罐體外壁增加縱向肋結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步增強(qiáng)罐體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

2）改變3層材料厚度比例。在添加中間發(fā)泡層以減輕配重的基礎(chǔ)上，適當(dāng)增加外層聚乙烯材料的厚度或者使用緩沖性能更好的材料，增加罐壁的緩沖吸能，改善材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

4 結(jié)語

利用有限元分析技術(shù)對橢球形無傘空投橡膠液體空投罐進(jìn)行了跌落模擬，通過Abaqus CAE軟件建立了液體空投罐有限元模型，通過設(shè)置載荷和邊界條件進(jìn)行跌落分析，計(jì)算出全場的塑性應(yīng)變分量和特殊節(jié)點(diǎn)的Mises應(yīng)力-時間曲線，首先對現(xiàn)有的儲液罐材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬計(jì)算，隨后在保證總厚度不變的條件下改變3層材料厚度進(jìn)一步模擬，得出以下結(jié)論。

1）對模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析發(fā)現(xiàn)，液體空投罐的3層材料厚度與其塑性應(yīng)變和應(yīng)變集中區(qū)域有明顯聯(lián)系，為液體類物資的無傘空投提供了有效的數(shù)據(jù)參考。

2）3層材料厚度比為1∶1∶2時罐體的塑性應(yīng)變最小，在彈塑性理論范圍內(nèi)能承受的瞬時沖擊速度最大，罐體的結(jié)構(gòu)性能最好。

3）根據(jù)模擬結(jié)果提出了優(yōu)化思路，適當(dāng)增加中間發(fā)泡層與外層聚乙烯材料的厚度或者使用緩沖性能更好的材料，增加罐壁的緩沖吸能，改善材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

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Simulation Analysis of Liquid Storage Tank for Free Drop

ZHANG Yu-ting1, GENG Xiao-kai2, REN Chun-hua1, JI Hong-wei1

(1.Tianjin University of Commerce, Tianjin 300134, China; 2.Hebei Jinhoudun Plastic Cement Co., Ltd., Xingtai 054000, China)

The work aims to study the mechanical response of the liquid storage tank with ellipsoidal structure for free drop during the process of falling and hitting the ground, in order to improve the replenishment efficiency of liquid airdrop supplies. Based on the coupling Euler-Lagrange algorithm, a finite element model of ellipsoid liquid storage tank was established. The drop process of the tank with different thickness ratios of polyethylene-foam-polyethylene was simulated by ABAQUS CAE to obtain the maximum equivalent plastic strain cloud diagram and stress-time curve. The thickness ratio between different layers is closely related to the maximum plastic strain, the time of plastic strain and the strain concentration area of the storage tank. When the thickness ratio is 1∶2∶1, the time to reach the maximum plastic strain is the shortest and the probability of strain concentration at the region for handle is increased. When the thickness ratio is 1∶1∶2, the plastic strain of the tank body is relatively reduced, but the impact resistance does not reach the ideal optimized situation. When the thickness ratio is 1∶1∶2, the plastic strain is the smallest, the maximum instantaneous speed is the highest, and the property of the tank structure is the best. Based on these, a structural optimization idea is proposed. On the basis of adding a middle foam layer to reduce the weight, appropriately increasing the thickness of the outer polyethylene material or using a material with better cushioning performance can increase the buffer energy absorption of the tank wall and improve the strength of the material structure.

free drop; liquid storage tank; finite element simulation; mechanical response; equivalent plastic strain

TB485.1

A

1001-3563(2022)01-0066-09

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.01.009

2021-08-18

天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（14JCZDJC34600）

張宇婷（1997—），女，天津商業(yè)大學(xué)碩士生，主攻無傘空投包裝防護(hù)設(shè)計(jì)及有限元模擬。

計(jì)宏偉（1964—），男，天津商業(yè)大學(xué)教授、博導(dǎo)，主要研究方向?yàn)檫\(yùn)輸包裝。