直19两款武装直升机拼出的\"70\"纪念字样同样引人注目. 在梯队最...
庄伟 邵元新 袁李斌
摘 要：文章以直升机油箱舱结构为研究对象，使用RADIOSS对其抗坠毁性能进行了仿真分析。首先介绍了RADIOSS的显式动力学计算方法。然后建立了油箱舱的有限元模型，模拟了其以17.3m/s的速度撞击地面的全过程。根据仿真结果对油箱舱结构进行了改进设计，并与试验结果进行了对比分析，得出了相关结论。
关键词：直升机；油箱舱；抗坠毁；RADIOSS
中图分类号：V215 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）20-0013-04
Abstract： In this paper， the structure of the helicopter fuel tank cabin is taken as the research object， and its anti-crash performance is simulated and analyzed using RADIOSS. Firstly， the explicit dynamics calculation method of RADIOSS is introduced. Then the finite element model of the tank is established， and the whole process of its impact on the ground with the velocity of 17.3 m/s is simulated. According to the simulation results， the tank structure is improved and compared with the test results， and the relevant conclusions are obtained.
Keywords： helicopter； fuel tank cabin； anti-crash radar； RADIOSS
1 概述
直升机是我们常见的航空飞行器，全世界目前大约有4万多架直升机，直升机在很多领域均发挥着重要的作用。
随着直升机技术的发展，各国对直升机的安全性设计也越来越重视。自20世纪70年代以来，无论是各国军方还是国际航空设计规范都制订了直升机抗坠毁设计的性能指标[1]。目前欧美诸国已经把抗坠毁性能作为初始设计阶段中与重量、载荷因子、疲劳寿命同等重要的关键问题来考虑[2]。
调查表明，坠机造成空勤人员伤亡的主要原因是冲击对身体产生伤害和燃油系统破裂导致燃油泄漏引起的火灾。所以直升机燃油箱抗坠毁设计是直升机抗坠毁设计的重中之重。设计时要求燃油箱设置在远离乘员区以及因坠毁引起的结构变形不能使油箱被刺穿，同时油箱的支撑结构与油箱有足够的连接强度以防止接头脱落。油箱本身则要求由韧性好、塑性区长的耐坠撞材料（且具有阻燃性能）制成。
自20世纪60年代以来，国外开展了一系列抗坠毁研究计划，取得了很多研究成果。国内从80年代起，进行了抗坠毁仿真的基础性研究，积累了一点的技术基础，但尚未建立起系统的抗坠毁仿真平台，与国外还有较大差距。
70年代初，国外相继开发了抗坠毁仿真软件如KRASH、DYCAST等。伴随着仿真技术的发展，采用高度非线性瞬态冲击动力学软件（如DYTRAN、RADIOSS、CRASH等）模拟坠撞过程是直升机抗坠毁仿真技术的发展趋势。本文采用大变形有限元分析软件RADIOSS，利用显示非线性分析，对某油箱舱结构及油箱进行抗坠毁计算分析，评估结构及油箱的抗坠毁能力。
2 计算方法
整个坠撞过程采用显式时间积分的方法。
采用U.L格式，利用虚功原理建立的非线性动力学有限元控制方程为：
（1）
式中，M为质量矩阵，C为阻尼矩阵，K为总体刚度矩阵，Fext为外力矢量，fc为接触力矢量，x、■和■分别为位移矢量、速度矢量和加速度矢量。
为简单起见，在式（1）中令Q=Fext+fc。
把总积分时间等分成若干步，每步间隔为？驻t，2？驻t，…n？驻t，（n+1）？驻t，…，则在某一时刻t，其速度和加速度分别为：
而在t时刻的有限元控制方程为：
（2）
将t时刻的速度和加速度代入式（2），则有：
（3）
如果xt-？驻t和xt已经求得，则t+？驻t时刻的位移xt+？驻t可以由上式解出，也即上式是求各个离散时间点处解的积分递推公式。由于在t+？驻t时刻用的是t时刻的控制方程，K矩阵不出现在上述递推公式的右端，所以这种过程被称为显示积分算法。
3 有限元模型及相关参数
油箱舱有限元模型主要由以下部件组成：框、纵梁、地板、侧蒙皮、底部蒙皮、油箱底板、油箱平台、缓冲泡沫、油箱、燃油和刚性墙。
3.1 材料与属性
钣金和机加结构由P1_SHELL单元模拟；复合材料层压板由P11_SH_SANDW單元模拟；对于蜂窝夹层结构，将上面板、下面板和蜂窝分别用shell单元和solid单元建模，并采用共节点的方式，其中蜂窝由P14_SOLID单元模拟；油箱与结构之间使用泡沫作为缓冲，泡沫由P14_SOLID单元模拟；各结构件之间通过connector-spot（type2-spring）进行连接；燃油使用SPH粒子进行模拟；地面由P1_SHELL单元模拟，并定义为刚体，不产生任何变形。
金属材料的本构关系均使用M2_PLAS_JOHNS_ZERIL，即弹塑性材料，这种材料构型是自带失效准则的，只需在材料参数里面输入相应的失效判定参数即可（失效塑性应变？着■■，塑性最大应力？滓max0），当计算时单元的应力或应变达到失效应力或应变时，单元即被判定失效并从模型中删除。
复合材料层压板的本构关系使用M25_COMPSH；蜂窝的本构关系使用M28_HONEYCOMB；泡沫的本构关系使用M33_FOAM_PLAS；油箱的本构关系使用M36_PLAS_TAB。
部分材料力学性能参数如表1所示。
表1 部分材料力学性能参数
3.2 载荷及边界条件
整个油箱舱的所有节点均施加-17.3m/s的初始速度和-9.8m/s2的加速度，地面约束xyz三个方向的平动自由度。
3.3 接触的定义
整个模型共定义了3个接触对，分别是油箱舱与地面的接触；燃油SPH粒子与油箱的接触；所有结构之间的自接触。3个接触类型均使用type7，接触面的最小间隙（GAPmin）均定义为0.5mm。
3.4 计算使用单位
本模型中使用的基本单位为：
时间：ms 长度：mm 质量：kg
4 具体计算及分析
有限元模型模拟的是油箱舱垂直坠地的情况，即直升机总体坐标系的XY平面与地面之间的夹角为0°。
为了节省计算时间，使油箱舱较快与地面发生碰撞，油箱舱与地面的距离设定为20mm。
4.1 结构改进前的计算结果
油箱舱在时刻1.252ms与地面发生碰撞。在时刻13.0ms，框已经发生了较大破坏。通过分析，是因为纵梁与框连接的角材发生了较大变形（图1），由于角材與框接触，将较大的接触力施加到框上，导致框局部单元发生失效从而导致刚度急剧下降（图2），最终在油压载荷的作用下从蜂窝区与层压板区的连接处撕裂（图3）。
由于框的过早破坏，结构在框处形成突破口，导致抗坠毁主承力构件底部纵梁最终并没有产生太大变形（图4），没有达到设计目的。
图1 纵梁与框连接的角材
图2 框失效单元
图3 框撕裂示意图
4.2 结构改进后的计算结果
虽然油箱舱抗坠毁仅要求油箱不发生破坏（油不发生泄漏），对结构是否发生破坏并未作要求（事实上大部分油箱舱抗坠毁试验结构都会发生不同程度的破坏）。但是如果结构发生大的变形及破坏，则有很高的风险刺穿油箱。为了避免这种情况发生，通过对局部结构进行改进设计，以少量重量代价降低结构的变形是很有必要的。在此模型中，通过增大纵梁与框连接角材的局部厚度，增大其抗弯刚度，降低其自身的变形来达到改进结构的目的。
重新计算后，图2中的失效单元并未发生失效，达到了改进设计的目的，但是框的蜂窝单元却过早被判定失效（图2）。通过分析，发生是因为画网格时在蜂窝厚度方向上划分了两个单元导致的。由于厚度方向划分了两个单元（实际结构蜂窝在厚度方向上是一个完整结构），蜂窝受剪时的切应变直接提高了一倍，直接导致蜂窝被过早判定失效。为了解决这个问题，对有限元模型重新划分网格，将蜂窝厚度方向上的单元数量改为一个。
4.3 最终模型的计算结果
经过前两次的调整，最终模型的计算结果如图5所示。可以看到，框在碰撞结束时并未发生大的破坏。而底部纵梁则产生了极大的变形（图6），这表明底部纵梁很好的吸收了碰撞的动能。
图5 最终模型结构变形
图6 最终模型底部纵梁变形
整个系统的能量变化如图7所示。可以看到，接触能最大为25000J；初始动能为2.117E+05J，在时刻30ms，动能降至最低值并趋于稳定，为7060J；系统初始内能为0，在时刻30ms，内能达到最大值并趋于稳定，为1.727E+05J。
整个系统的速度变化如图8所示。可以看到，在时刻22ms，速度由负值变化为正值，也即结构发生回弹。
通过能量变化曲线我们可以看到，在时刻30ms，碰撞已基本结束，绝大部分动能都转化成了结构的应变能，结构的吸能效果很好并且自身并未发生大的破坏。油箱本体及其连接未发生破坏，油箱没有发生泄漏，满足设计要求。
图7 系统能量变化
图8 系统速度变化
4.4 与试验结果的对比
试验件变形如图9所示。
图9 试验件变形
从图9可以看出，底部纵梁几乎被压塌，框并未发生大的破坏，有限元仿真结果与试验结果基本吻合，仿真精度较高。
5 结束语
通过建模、计算分析以及不同模型之间的对比，我们可以得出以下结论：
有限元仿真的精度与很多因素相关，网格大小、单元属性的填写、接触参数的填写都是十分重要的。对于碰撞仿真来说，由于涉及到单元失效的判定，因此材料参数尤其是失效参数的填写至关重要，失效参数填写的不恰当，会导致单元提前或延迟判定失效。由于单元在被判定失效之后会被求解器从模型中删除，而只要有一两个单元被删除，局部结构就会从完整结构变成有缺口的结构，结构刚度下降很大，而整个结构则很容易从缺口处发生破坏，因此失效参数的填写会对仿真结果的精确度产生很大的影响。
单元网格的大小也会对有限元仿真的精度产生很大影响。与静力分析不同的是，在碰撞分析中，网格并不是越细越好（即使不考虑对计算时间的影响），更重要的是不能出现长宽比过大的单元，而这同样与失效判定相关。长宽比过大的单元在受剪时容易产生较大的切应变（相比长宽比接近1：1的单元而言），这很容易导致其提前判定失效，产生与真实情况严重不符的仿真结果。
油箱舱抗坠毁主要由底部构件吸收坠撞能量，尤其是底部纵梁。底部纵梁的高度是决定油箱舱抗坠毁性能的关键因素之一。理论上高度越高、腹板越厚（即抗弯模量越高）的纵梁吸能效果越好。当然，对于高度较高的纵梁，需要在腹板上增加立筋以防止腹板在坠撞过程中提前失稳。
参考文献：
[1]YANG J L，WU W H.Study on the armed helicopter crashwort
hiness design.Chinese Jounal of Mechanical Engineering，2001，37（5）：1-6.
[2]Michael W V，Joyanto K S.A systems approach for designing a crashworthy helicopter program KRASH[R].AIAA 28422448，1984.
[3]傅永华，等.有限元分析基础[M].武汉大学出版社，2003.
[4]欧贺国，等.RADIOSS理论基础与工程应用[M].机械工业出版社，2013.
[5]CCAR-29-R1.运输类旋翼航空器适航规定[Z].中国民用航空总局，2002.
