|
CAE/模拟仿真 |
|
| 按行业筛选 |
|
|
| 按产品筛选 |
|
|
| |
|
查看本类全部文章 |
| |
|
|
|
|
基于MSC软件的蜂窝夹芯缓冲器设计 |
|
|
作者：南京航空航天大学 范忠华 王轲 |
|
摘要：某装置需经受高处跌落撞击，为保证内部设备的安全，要求其受到的冲击过载在一定范围内。笔者为此设计了一种吸能减震的蜂窝夹芯缓冲器，为了验证该方案的可行性，本文采用MSC公司的有限元软件Patran 和非线性瞬态动力学分析软件Dytran 对该装置加装了缓冲器后的碰撞进行了仿真分析。分析结果证明了方案的可行性。
关键词：过载；MSC 软件；碰撞；仿真
1、缓冲器设计
随着现代电子仪器设备越来越精密化，对载体的抗冲击性能要求也越来越高。某装置可能会从高处跌落，与地面发生碰撞。考虑到结构内部精密电子设备的安全性，在结构设计中对冲击过载提出了一定的指标要求，例如载体重心处最大加速度过载须维持在10g 以内。
针对该结构下落撞击的具体情况，专门为其设计了一种吸能减震的缓冲器方案。设计中共采用四个缓冲器，用杆件连接于载体下方。该方案利用了铝蜂窝容易压溃的性质，将铝蜂窝装到载体下方，落地时蜂窝装置便可吸收冲击能量，从而减轻撞击引起的加速度响应。
图1 所示为缓冲器机构整体模型示意图。其中AC、BD 分别为前缓冲器和后缓冲器，EF为释放机构撑杆，CD 为连接前后缓冲器的连杆，PQ 为限制机构运动的导轨。
缓冲器结构示意图见图2。
为了减轻重量，该缓冲器的支柱采用了空心圆柱体，作动筒则是薄壁圆管，由此对强度也提出了一定的要求。考虑到缓冲器可能的失效形式为弯矩过大，故本文按照全局最大弯矩核定尺寸。设外廓半径为R,内廓半径为r，则缓冲器圆截面惯性矩为：
结合设计要求，若给定外廓半径，则有：
根据公式（5），只要通过仿真分别得到作动筒和支柱上的最大弯矩，再作一定的协调便可分别得到支柱、作动筒的内外径尺寸。
蜂窝的直径则可由平均压缩载荷作用下铝蜂窝块直径与平均压溃应力的关系图给出。铝蜂窝块直径与平均压溃应力的关系图如下。
2、有限元模型
根据实际设计情况，对缓冲器碰撞过程进行仿真分析，检验缓冲装置能否达到减震指标要求，同时得出弯矩载荷水平，进而核定尺寸，图4 所示为缓冲器碰撞分析动力学有限元模型。
缓冲器碰撞分析动力学模型包括结构本体、缓冲装置、辅助杆件和配重等几个部分。从计算效率和设计指标分析角度出发，采用刚性单元模拟载体，并利用配重对载体质量、质心位置及转动惯量进行配平。采用刚性壳模拟缓冲器的作动筒，通过定义上、下作动筒的接触关系来约束作动筒仅能沿轴线方向运动。释放机构撑杆在是典型的二力杆结构，在碰撞中撑杆承受的是轴向载荷，因此采用杆单元模拟该部分。缓冲器内部填充铝蜂窝材料在碰撞过程中始终沿作动筒运动方向压缩，根据缓冲器设计给出的载荷-行程曲线定义了包含加载-卸载过程的非线性弹簧单元模拟铝蜂窝材料，载荷-行程曲线如图5 所示。
图5 缓冲器载荷/行程曲线（铝蜂窝压实前）
3、仿真计算结果与设计参数确定
根据设计指标要求，结构质量为1000kg，垂直着陆速度为4.5m/s，其他方向撞击速度如表1 所示。表1 正常跌落撞击缓冲过程仿真分析工况
 仿真计算得到的各工况下响应情况如表2 所示：表2 最大加速度过载和弯矩载荷
 由图6 可以看出，缓冲器着陆过程很平缓，姿态保持较好，没有出现较大问题。 图7 则给出了四个工况中最危险工况下的重心处加速度过载随时间变化的曲线。
根据仿真计算得到的弯矩载荷数据，给定作动筒外径和配合关系，再结合公式（5），即可给出前后缓冲器的支柱、作动筒的内外径尺寸。结合其它因素最后取定尺寸为：前后缓冲器作动筒均取外径80mm，内径76mm；前后缓冲器支柱外径均为72mm，内径则分别为前支柱52mm，后支柱46mm。
4、结论
通过计算分析，该缓冲器可以使各种工况下重心处最大加速度过载都维持在10g 以内，满足加速度过载的设计指标要求。表明该缓冲器方案不仅结构合理，具有可实现性，且达到降低过载的冲击动力学要求。
使用MSC 软件可以大大提高工作效率并可节约设计成本。其前后处理器MSC.Patran 具有丰富的有限元建模和后处理功能，界面直观、简洁，使用方便且简单易学。最方便的是，MSC.Patran 兼容能力很强，除了本身具有建模功能外，还可通过丰富的接口导入现成的模型，这大大提高了有限元建模的工作效率。值得称道的是，MSC 公司的非线性瞬态动力学分析软件Dytran 不仅使用方便而且计算效率很高。正是使用了MSC 软件，本文得以在较短时间内既快且好地完成了这种蜂窝夹芯缓冲器的设计。
参考文献
1、 万力，卞文杰，吴莘馨 编著. 瞬态动力学CAE 解决方案MSC.Dytran 实例教程. 北京：北京大学出版社，2004.
2、 丁沛然，钱纯 著. 非线性瞬态动力学分析:MSC. Dytran 理论及应用. 北京：科学出版社，2006.
|
|
| 文章内容仅供参考
(投稿)
(如果您是本文作者，请点击此处)
(10/24/2011) |
对 CAE/模拟仿真 有何见解？请到 CAE/模拟仿真论坛 畅所欲言吧！
|
