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1、第二十八届（2012）全国直升机年会论文直升机机身结构土壤坠毁仿真分析任 静 温永海 宫少波 周国臣（中航工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司，哈尔滨市，150066）摘 要：在土壤坠毁分析的过程中，一个重要的问题就是土壤材料模型的选取和土壤材料参数的确定。本文对土壤材料模型定义、建模方法和接触模型进行了研究，并采用MSC. Dytran软件对直升机机身结构土壤坠毁进行仿真分析，研究机身结构在土壤坠毁过程中机身变形及抗坠毁结构吸能情况，并与刚性地面坠毁仿真情况进行了比较。关键词：直升机机身结构；土壤坠毁；有限元；仿真分析1 概述无论是军用直升机还是民用直升机都要进行抗坠毁设计，目前抗坠毁设计仅是
2、考虑刚性表面的影响，然而，事故统计学显示，有80%以上的军用直升机和民用直升机坠毁事故都发生在土壤和水面1。机身结构在刚性表面发生坠撞，会将产生的集中载荷传递给机身结构的刚性部分，如龙骨梁。而在土壤表面发生坠撞，集中载荷将传递给机身的蒙皮。所以基于刚性表面的抗坠毁设计也许对于土壤表面坠毁来说将起不到作用。会导致不曾预料到的结构失效和驾乘人员的伤亡。由于目前抗坠毁分析工具的限制和缺乏足够的试验数据，也导致了花费和具有抗坠毁特征结构重量的上升。本文采用MSC. Dytran软件对直升机机身结构土壤坠毁进行仿真分析，研究机身结构在土壤坠毁过程中机身变形及吸能情况，并与刚性地面坠毁情况进行比较。与此同
3、时，进行土壤材料模型定义和建模方法研究，结合相关试验数据，修正分析参数，以提高土壤坠毁分析精度。2 土壤材料模型与材料性质的定义在土壤坠毁分析的过程中，一个重要的问题就是土壤材料模型的选取和土壤材料参数的确定。MSC. Dytran分析程序提供了丰富的材料模型，包括土壤、塑料、复合材料等。能够模拟材料线弹性、屈服、状态方程、破坏、剥离到爆炸、燃烧等各种行为模式2。2.1 土壤材料模型定义由于土壤力学性能受土壤成分、湿度、深度等各种参数的影响，本文选取松散沙质土壤作为研究对象，考虑松散沙质土壤剪切强度比较小，在坠落试验中也没有明显的回弹现象，选取MSC. Dytran分析程序提供的FOAM2材料
4、模型。该模型用于各向同性可压缩材料，泊松比几乎为0。并且卸载过程中遵循用户定义的非线性回滞响应应力-应变曲线。屈服应力还可以定义为具有应变率相关性。该模型假定材料的屈服行为只遵守一条应力应变曲线和一个与应变率有关的放大因子。这就是说无论是单轴拉伸还是单轴压缩，无论是剪切还是体积压缩，材料都按同一条应力-应变（压力-体积应变）曲线发生屈服。三维主应力空间中的屈服面其中半径Rs取决于应变值，其关系为：其中Re满足方程其中Rr满足方程函数f1就是应力-应变关系，f2就是放大因子-应变率关系。卸载曲线是一条非线性的回滞响应曲线。程序按照这一原则构造曲线：耗散能量与总能量之比等于耗散因子。如果卸载曲线为
5、线性，程序将建立一条分段线性的曲线，除了第一条和最后一条以外的每一条线段分别于加载曲线的相应线段平行。第一条和最后一条线段分别穿越卸载起始点和坐标原点。如果卸载曲线类型为抛物线或幂函数（这两种曲线都经过坐标原点），则程序根据曲线穿越坐标原点以及加载曲线和卸载曲线之间的面积等于能量耗散因子的条件计算方程中的0和0。当卸载过程达到坐标原点后，卸载按斜率等于杨氏模量的直线进行，直到应力达到拉伸极限。拉伸极限可以定义为最小或破坏截断压力。在最小压力的情况下，应力不能低于该压力值；在破坏压力的情况下，当应力达到该值后，将被置为0。2.2 土壤材料参数的确定在材料模型定义的过程中，需要填写材料性质卡片。材
6、料性质通常由体积压缩试验和单轴压缩试验获得3。本研究中，土壤材料模型参数如下：土壤材料密度7.1694710-11 t/mm3，体积模量3.675Mpa，终止应力-6.89510-2Mpa，能量耗散因子0.994, 5，压力-压坏因子曲线见图1。图1 压力-压坏因子曲线3 接触模型的定义对于土壤来说，比较适合的接触模型就是Master-Slave接触模型。这个模型是比较常用的接触模型，可以用来模拟两个面的接触，分离和滑移。并且允许两个面之间具有摩擦系数。需要注意的是，在主从面接触模型的定义过程中，要求从接触面的网格划分比主接触面的要细些，所以本文中选取机身下部节点定义为从属节点，土壤上表面定义
7、为主接触面6。对于主接触面的网格离散化程度，一般来说，在刚性地面坠撞的过程中，网格可以划分较粗，但是对于土壤表面来说，土壤网格的离散化程度要和机身子地板变形程度相符，所以相对而言要细些，但是对于离接触区域较远的网格则要划分的粗些，否则会影响计算效率。4 仿真分析4.1 直升机机身抗坠毁结构设计综合考虑国内外抗坠毁标准要求及复合材料吸能结构的吸能特性，设计了一个直升机复合材料耐坠毁结构机身段。机身结构由一个高强度的上部机身结构、一个地板结构和一个吸能结构组成。上部机身结构采用复合材料夹层结构，有足够的刚度和强度以维护机身壳体的完整性和可控的变形。在坠撞事件中保证乘员的生存空间。下部通过5块泡沫体
8、可靠的变形来消耗动能，最大限度地吸收能量。并设计了一个高强度的结构地板，来固定座椅和其他质量件。整个机身结构长1.63m，截面直径1.52m，见图2。吸能结构（泡沫）机身上部结构地板结构图2 机身结构示意图4.2 有限元仿真模型的建立根据机身段结构，建立有限元模型。使用非线性瞬态动力学程序MSC.Dytran分别进行了刚性地面和软土地面坠毁仿真分析。有限元模型见图3。机身上部和地板的壳体内、外表面用4节点壳单元在机身上部、地板和子地板中的泡沫芯采用8节点6面体单元来模拟，在地板上设置了一定数量的质量元，模拟地板上的重物。质量元与机身总重为591kg。土壤有限元模型高0.6m，采用拉格朗日固体单
9、元模拟，接触部分网格划分相对较细，并定义为主接触面。下落速度根据军用直升机抗坠毁要求(GJB 268l-96)对军用直升机的抗坠毁设计、验证要求。沿垂直方向的设计坠撞速度变化量为7.9m/s。 3-a) 刚性地面坠毁有限元模型 3-b) 土壤坠毁有限元模型图3 有限元模型4.3 仿真结果分析仿真结果见图4和图5。图4为机身及坠撞面变形情况，从图中可以看出，在刚性地面坠毁仿真的过程中，机身下部吸能泡沫变形较大，在压溃过程中吸收能量。而在土壤坠毁仿真的过程中，蒙皮发生破坏，泡沫变形较小；土壤表面变形较大。 4-a) 刚性地面坠毁仿真（7313 cycles） 4-b) 土壤坠毁仿真（9992 cy
10、cles）图4 机身及坠撞面变形情况 5-a) 仿真分析加速度时间曲线 5-b) 仿真分析材料内能变化时间曲线图5 仿真分析结果曲线从图5-a仿真分析加速度时间曲线中可以看出，土壤坠毁的加速度峰值小于刚性地面坠毁的加速度峰值；图5-b给出了刚性地面条件下吸能泡沫内能变化曲线以及软土条件下吸能泡沫和土壤内能变化的曲线，结果显示土壤坠毁过程中吸能泡沫的内能与在刚性地面坠毁过程中的能量相差较大，在刚性地面坠撞的过程中，泡沫吸收能量占总能量的88%，而在土壤坠撞的过程中，土壤参与了能量的吸收，占总能量的77%，泡沫吸收能量不到总能量的10%，仿真分析结果与文献4中提及的软土表面坠毁试验结果基本一致。可
11、见，在土壤表面发生坠毁时，土壤具有一定的吸能作用，所以在抗坠毁结构设计时应充分考虑不同坠撞面的影响，对坠毁事件相应地面情况进行统计，进行合理设计，以减轻结构重量，降低成本。同时，需要指出的是，土壤在坠撞过程中能量吸收情况与本身的性质有关，因此在选取土壤材料模型的时候需要考虑土壤本身的性质，根据不同性质的土壤选取相应的材料模型。综上，采用MSC. Dytran分析程序进行土壤坠毁仿真分析，能够有效地减少试验件的数量，降低研制成本，为直升机抗坠毁结构设计提供可靠的依据。5 结束语通过对直升机机身结构土壤坠毁的仿真分析，可以得到如下结论：1）土壤坠毁的加速度峰值小于刚性地面坠毁的加速度峰值；2）土壤
12、坠毁过程中吸能泡沫的内能与在刚性地面坠毁过程中的能量相差较大，在刚性地面坠撞的过程中，泡沫吸收能量占总能量的88%，而在土壤坠撞的过程中，土壤参与了能量的吸收，占总能量的77%，泡沫吸收能量不到总能量的10%。3）在土壤表面发生坠毁时，土壤具有一定的吸能作用，所以在抗坠毁结构设计时应充分考虑不同坠撞面的影响，对发生坠毁事件的相应地面情况进行统计，进行合理设计，以减轻抗坠毁结构重量，降低成本。4）采用MSC.Dytran分析程序进行土壤坠毁仿真分析，能够有效地减少试验件的数量，降低研制成本，为直升机抗坠毁结构设计提供可靠的依据。参 考 文 献1 Bolukbasi，A. O., “Develop
13、ment of Analysis Methodology for Crash Impacts On Soft Soil”, presented at the 54th Annual Forum of the American Helicopter Society, May 19982 MSC.Dytran Theory Manual，Chapter 3，Materials. Version 2004.3 丁沛然，钱纯. 非线性瞬态动力学分析MSC.Dytran理论与应用M，科学出版社，20064 Ashish K. Sareen，Edwin Fasanella，Chad Sparks，etc.
14、 comparison of hard surface and soft soil impact performance of a crashworthy composite fuselage concept.5 Parya Naghipour，Levent Aktay，Alastair F. Johnson. Numerical investigation of structural crash response of thin-walled structures on soft soil. Materials and Design. 2008 (29), 205220606 殷之平，李玉龙
15、，谭申刚. 飞机机身结构非正常着陆耐撞性仿真分析. 机械强度，2010，32（2）196201Numerical simulation of soft soil impact of a crashworthy rotorcraft fuselage conceptRen Jing Wen Yong-hai Gong Shao-bo Zhou Guo-chen(AVIC Harbin aircraft industry group CO., LTD., Harbin, 150066, China) Abstract: During the process of the numerical simulation analyses of crash impacts on soft soil, one of the important problems is to choose the soil material model and determine the value of the soil parameters. This article do research on the choose method of the soil model
