某C型梁薄壁結(jié)構(gòu)軸向沖擊性能研究

1、    某c型梁薄壁結(jié)構(gòu)軸向沖擊性能研究    劉君義+屈直【摘 要】針對c型梁這一金屬開口殼體結(jié)構(gòu)應用于飛機客艙地板以下的支撐單元的情況，采用ansys/ls-dyna軟件建立了該型結(jié)構(gòu)有限元分析模型，分析了不同幾何參數(shù)對c型梁沖擊性能的影響，獲得了c型梁的各種幾何因素與沖擊失效形式、初始峰值載荷以及比吸能之間的關(guān)系作為工程研究所用。【關(guān)鍵詞】c型梁；金屬開口殼體結(jié)構(gòu)；適墜性；沖擊特性c型梁作為一種金屬開口殼體結(jié)構(gòu)，具有變形穩(wěn)定、承載力穩(wěn)定、變形行程長、初始沖擊力小、取材方便、易于更換、結(jié)構(gòu)簡單以及比吸能高等優(yōu)勢，受到了工程界的高度重視，取得了良好的經(jīng)

2、濟效益和社會效益。這種結(jié)構(gòu)被廣泛用于飛機客艙地板下的支撐單元，能吸收大部分的撞擊能量，使機身獲得很好的沖擊失效模式。c型梁這種金屬開口殼體結(jié)構(gòu)具有開口不封閉和非對稱的截面形式，其幾何參數(shù)對其沖擊性能的影響較大并且有較明確的變化趨勢。本文對該型梁的沖擊特性進行了探究和分析。采用非線性有限元軟件ansys/ls-dyna來模擬對c型梁的沖擊試驗，沖擊吸能性能分析指標包括結(jié)構(gòu)失效形式、峰值載荷以及比吸能。根據(jù)飛機適墜性實驗的設計標準，飛機迫降的垂直接地速率一般在7m/s到10m/s之間。在飛機客艙載重配置上要求平均分配到每個支撐桿上的質(zhì)量不超過500kg。根據(jù)這一標準，本次研究設定沖擊速率為7m/s

3、，沖擊質(zhì)量為400kg。1 幾何參數(shù)的配置c型梁的長度l，厚度c，腹板寬度a以及緣條寬度b將會在初始參數(shù)的基礎上被單獨進行考慮以獲得對沖擊特性影響的最佳結(jié)果，得到參數(shù)優(yōu)化的水平確定范圍。參數(shù)設計要確保參數(shù)之間的相對獨立性，每次實驗中僅僅變化一種因素水平，其他因素保持固定不變，已減少多因素水平的干擾誤差。這種設計思路是參數(shù)變化設計的線性思維。在多因素優(yōu)化設計中這種線性思維被經(jīng)常用來確定參數(shù)的性質(zhì)并據(jù)此得到參數(shù)優(yōu)化的范圍。厚度設為以0.2毫米的間隔從1.2毫米變化到2毫米，長度以100毫米的間隔從300毫米變化到700毫米。兩種變量腹板寬度a和緣條寬度b被選擇來比較不同截面的c型梁的結(jié)構(gòu)破壞性質(zhì)。

4、腹板a被設為41毫米，82毫米，123毫米以及164毫米，緣條寬度根據(jù)不大于腹板寬度的原則設為15毫米，21毫米，41毫米以及82毫米。所有的這些參數(shù)變化都是在相對獨立的情形下，在初始設計參數(shù)的基礎上加以變化，通過控制相應的變量變化，來得到某些制定參數(shù)對沖擊性能的影響規(guī)律。并且將根據(jù)這些結(jié)果從中得到集幾何參數(shù)與沖擊性能的影響關(guān)系。2 沖擊性能分析本文主要研究c型梁的幾何因素對變形模式、力學行為以及吸能特性的影響，其衡量指標分別為失效變形形式，初始峰值載荷和比吸能。這些因素是梁結(jié)構(gòu)的主要沖擊特性和適墜性能優(yōu)化設計的主要指標。圖2所示的是c型梁受沖擊的結(jié)構(gòu)變形圖和載荷變化過程，其沖擊反應曲線非常典

5、型。從圖中我們能看到兩種不同的變形階段，第一階段，稱為連續(xù)變形階段，初始載荷比較大，這表明了初始最大加速度出現(xiàn)在撞擊事件的開始，并且在接下載荷連續(xù)降低，第二階段，稱為全面屈曲階段，載荷變化出現(xiàn)一系列的峰值和谷值，梁的縮變會出現(xiàn)褶變直到位移后期載荷變化過程非常平緩。載荷曲線與梁的失穩(wěn)變形有著一一對應的關(guān)系，載荷曲線中的每一次峰值都對應在失穩(wěn)變形的一次褶變，形成了一個新的褶變點。初始峰值載荷是載荷變化曲線與加速度變化曲線的第一個載荷峰值，這是分析c型梁沖擊特性的重要參數(shù)，其對c型梁的適墜性能具有很重要的意義，并影響到梁所支撐的客艙乘客的生存能力非常重要。根據(jù)圖3所示實驗結(jié)果顯示，在相同橫截面幾何尺

6、寸下，不同長度的c型梁初始峰值載荷變化范圍很窄，幾乎保持不變，這意味著長度對初始峰值載荷幾乎沒有影響。初始峰值載荷與腹板寬度、緣條寬度以及梁厚度均呈現(xiàn)線性正相關(guān)關(guān)系，橫向截面的幾何尺寸對c型梁的峰值載荷呈遞增函數(shù)關(guān)系。圖4所示的是不同幾何因素變化得到的比吸能變化。隨著梁長度的增加，梁的失效變形將更快的進入第二階段即全面屈曲階段，而相比全面屈曲階段，第一階段能吸收更多的沖擊能量。我們的結(jié)果很好地吻合了這一理論。當長度是600毫米和700毫米時，比吸能幾乎不再變化。失效形式對能量吸收能力有很大的影響，這將影響到其他因素對能量吸收影響的分析。隨著梁厚度、緣條寬度的增加，比吸能都呈現(xiàn)線性增加的變化關(guān)系

7、。3 總結(jié)（1） c型梁的沖擊失效變形可以明顯的分為連續(xù)變形階段和全面屈曲階段。在第一階段沖擊載荷將隨著褶變的出現(xiàn)不斷產(chǎn)生峰值，每一次峰值載荷的出現(xiàn)都對應著一次褶變的產(chǎn)生。在第二階段沖擊載荷基本沒有大的起伏，甚至保持恒定，在這一階段梁變形主要是的褶變點的持續(xù)崩潰模式，不會再產(chǎn)生新的褶變點。并且，由于c型梁的開口不對稱幾何形式，不同幾何尺寸的梁沖擊變形兩種階段持續(xù)時間不同，甚至只會出現(xiàn)其中一種階段。（2）初始峰值載荷只與梁的橫向尺寸有關(guān)，并且是一種線性增加函數(shù)的關(guān)系。初始峰值載荷與軸向尺寸幾乎沒有關(guān)系。（3）比吸能隨著長度的減少將逐漸增加，因為長度的減少將帶來梁質(zhì)量的減少，并且使梁的沖擊變形過早地進入第二階段從而吸收更多的沖擊能量。比吸能與梁厚度，輪緣寬度都有非線性的正相關(guān)關(guān)系，無法得出比吸能與腹板寬度的關(guān)系?！緟⒖嘉墨I】1茍仲秋，宋筆鋒，孫俠生，陜西西安，民機地板以下結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對復合材料機身適墜性能的影響研究.2007.11.2余同希，盧國興（澳）.材料與結(jié)構(gòu)的能量吸收，化學工業(yè)出版社，2006.2.3余同希，結(jié)構(gòu)的耐撞性和能量吸收裝置，力學與實踐，1985.3.4ansys/ls-dyna動力分析方法與工程實例m.中國水利水電出版社.5apdl參數(shù)化有限元分析技術(shù)及應用實例m.中國水利水電出版社.責任編輯：朱麗娜 科技視界2017年8期科技視界的其它文章