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基于RADIOSS某型飞机通风窗鸟撞有限元仿真分析 |
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作者：西安飞机工业公司 沈亮 梁飞 任舜 |
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摘要：基于Altair公司HyperWorks软件平台，采用HyperMesh软件建立了某型飞机天窗骨架、通风窗以及鸟体的有限元模型。并用RADIOSS求解器对鸟撞过程进行了求解，对鸟撞击下的通风窗窗体结构进行了强度与刚度分析。
关键词：HyperWorks RADIOSS鸟撞 通风窗
1概述
飞机问世后不久，就出现了因鸟撞而造成机毁人亡的事故。自上世纪40年代起，人们开始注重研究怎样避免鸟撞的发生。但随着现代飞机低空化的发展以及飞机民用化的普及，鸟撞事故的数量也节节攀升。为了减小鸟撞带来的损失，设计人员开始注重飞机结构抗鸟撞能力的设计，鸟撞计算及全尺寸鸟撞试验也在大规模的开展。随着有限元法的发展以及计算机运算能力的大幅提升，设计人员拥有了一种能够提高计算效率和精度，并能大幅减小设计成本的工具，有效的缩短了新机型的研制周期。
通常风挡抗鸟撞能力的设计标准为：在巡航速度下，风挡承受1.8Kg鸟撞时，风挡不穿透、支撑结构不破坏同时要防止鸟撞产生的碎片伤害驾驶员。同样的标准也适用于通风窗的抗鸟撞能力的设计。某型飞机侧窗为可打开式通风窗，相对于风挡，通风窗的抗鸟撞能力设计更为复杂，不仅要分析玻璃及其支撑结构对鸟撞击的响应，还要校核通风窗运动机构的强度和刚度。
本文对鸟体和结构进行耦合求解，进行了鸟撞通风窗的有限元分析，对通风窗玻璃及其运动机构、支撑结构以及天窗骨架的重要承力结构进行了强度和刚度校核。
2 有限元建模
2.1 结构介绍
2.1.1通风窗结构介绍
某型机驾驶舱侧窗为可打开式通风窗，位于风挡后侧介于3框与4框之间。通风窗窗体安装在上下滑轨中间，窗体结构三维数模如图1所示。通风窗开启或关闭时，转动手柄通过摇臂带动各连杆，进而驱动窗体沿滑轨运动，将手柄的旋转运动转化为窗体的直线运动。通风窗窗体结构由手柄、摇臂、连杆、扭杆、窗体、玻璃、垫板、密封带、接头以及螺栓等其他连接件组成。
图1 通风窗三维模型
2.1.2天窗骨架结构介绍
天窗骨架由玻璃窗骨架以及驾驶舱顶盖组成，如图2所示。骨架部分由骨架型材、框缘上缘条以及风挡框架组成。顶盖部分由框缘上缘条、蒙皮、长桁以及接头组成。
图2 天窗骨架3维模型
2.2网格划分
2.2.1通风窗建模
如图3所示，玻璃、摇臂、滚轮、接头、连杆和挡块采用实体单元，上下滑轨、垫板以及扭杆等其他部分采用壳单元。
图3 通风窗有限元模型
2.2.2天窗骨架建模
天窗骨架结构本身具有对称性，故只建立一半的模型进行分析。蒙皮、长桁及骨架型材组成，截面形状简单，均采用壳单元；厚板件及实体机加件采用六面体单元；铆钉、螺栓等连接件采用spring单元；通风窗运动机构连杆、接头以及摇臂之间用rbe2单元、rbody单元和spring单元进行连接，如图4所示。
图4 天窗骨架有限元模型
2.2.3鸟体建模
鸟体的形状选择两端为圆球的圆柱体，采用SPH单元建立模型如图5所示，共计10564个节点，质量为1.8Kg。
图5 鸟体有限元模型
2.3接触
文中建立接触如下：
1) spring单元自动建立的type 2类型 (tie)接触；
2) 鸟体和玻璃间type 7类型点面接触，如图6(a)；
3) 机身本身的type 7类型点面接触，如图6(b)；
4) 挡块与滑轨之间的接触、导向轮与安装齿板之间的type 2类型 (tie)接触。
图6 接触示意图
2.4边界条件与工况
为了模拟周边结构对分析区域的支持作用，建立如图7所示的约束（全约束）。鸟弹的速度方向沿航向向后（X轴负方向），大小为116.7m/s，分析时间为6.01ms。
图7 边界条件与工况
3结果分析
3.1 强度分析
3.1.1 玻璃应力
玻璃承受鸟体的撞击，是校核的关键部位。如图8所示，最大应力出现在4.5ms时，为43.13MPa，位于后下角圆角区下陷根部。
图8 玻璃应力
3.1.2 摇臂与滑轮应力
上摇臂的最大应力出现在5.5ms时，为1436MPa，位于与窗体相连段根部；右下角摇臂最大应力出现在6ms时，为1548MPa，位于与接头相连段的根部；左下角摇臂最大应力为420MPa，相对较小。图9为6ms时三个摇臂上的应力分布。滑轮的最大应力出现在5ms时，为671MPa，位于上滑轮的端部。
图9 摇臂与滑轮应力
3.1.3 连杆与接头应力
连杆和接头以及摇臂组成通风窗的运动机构，连杆与摇臂采用转动副相连，连杆与接头采用刚性连接，接头之间为转动副。上端连杆最大应力出现在6ms时，为418MPa，位于上端左侧连杆上。下端连杆最大应力出现在5ms时，为407MPa，位于连杆间刚性连接部位。中间扭杆最大应力为22MPa， 出现在4.5ms时。 接头上最大应力出现在4.5ms时，为402MPa，位于接头与连杆和摇臂的连接部位。图10为4.5ms时，连杆与接头的应力云图。
图10 连杆与接头应力
3.1.4 关键零部件强度校核
玻璃、摇臂与连杆等关键零部件校核如表1所示，强度均满足要求。表1典型零部件强度校核
 3.1.5 通风窗窗体螺栓强度校核
图11为通风窗窗体上28个螺栓的所受力的等效值随时间变化的曲线，可以看出，螺栓782407与782458受力水平较大。
图11 螺栓受力曲线
图12为螺栓782407单独列出时经滤波后的受力曲线，可知782408主要承受拉力，在5.5ms时受力最大，为19KN，大于最大许用拉力14.5KN，不满足强度要求。
图12 螺栓782407受力曲线
图13为螺栓782458单独列出时经滤波后的受力曲线，在3.3ms时受力最大，为14KN，小于最大许用拉力14.5KN，满足强度要求。
图13 螺栓782458受力曲线
螺栓782407与782458的位置如图14所示。
图14 螺栓782407与782458位置
3.2 刚度分析
3.2.1 机身总体刚度
机身总体位移如图15所示，最大位移出现在6ms时，为40.7mm，位于通风窗上玻璃垫板的右上部位。
图15 机身位移
3.2.2 通风窗玻璃刚度
如图16所示，6ms时，玻璃的位移最大，为36.5mm。玻璃与机身4框之间开口较大，容易造成鸟体碎片溅入驾驶舱，对机组人员造成伤害，不满足抗鸟撞能力的设计标准，为窗体支撑结构刚度不足导致。
图16 玻璃位移
3.2.3 连杆的刚度
图17为6ms时连杆的位移图。上端右侧连杆的位移最大为39.7mm，连杆出现了严重的弯曲变形，即出现了屈曲现象，为玻璃上端左侧部位变形较小而右侧部位变形过大所导致。故上端右侧连杆不满足刚度要求。 
图17 连杆位移
4 结论
(1) 玻璃与内窗框连接的个别螺栓强度不满足要求，需要考虑重新选择合适的螺栓或者重新设计螺栓分布位置与数量，增加其强度；
(2) 窗体支撑结构刚度不足，导致窗体相对窗框位移量过大，鸟体有进入驾驶舱的可能，需改进此处支撑结构形式，增加其刚度。
(3) 窗体运动机构上端右侧连杆在鸟撞过程中发生屈曲，可考虑改变连杆截面形状加以解决。
(4) HyperWorks软件平台能够出色的完成鸟撞通风窗模型的建立以及鸟撞过程分析，在保证结果准确度的同时大大提高了设计人员的工作效率。
5 参考文献
[1] RADIOSS User’s Manual
[2] 牛春匀编.实用飞机结构设计[M].北京：国防工业出版社，1991 (end)
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(12/15/2012) |
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