...级气浮旋流设备结构优化与性能研究
刘君义+屈直
【摘 要】针对C型梁这一金属开口壳体结构应用于飞机客舱地板以下的支撑单元的情况，采用ANSYS/LS-DYNA软件建立了该型结构有限元分析模型，分析了不同几何参数对C型梁冲击性能的影响，获得了C型梁的各种几何因素与冲击失效形式、初始峰值载荷以及比吸能之间的关系作为工程研究所用。
【关键词】C型梁；金属开口壳体结构；适坠性；冲击特性
C型梁作为一种金属开口壳体结构，具有变形稳定、承载力稳定、变形行程长、初始冲击力小、取材方便、易于更换、结构简单以及比吸能高等优势，受到了工程界的高度重视，取得了良好的经济效益和社会效益。这种结构被广泛用于飞机客舱地板下的支撑单元，能吸收大部分的撞击能量，使机身获得很好的冲击失效模式。C型梁这种金属开口壳体结构具有开口不封闭和非对称的截面形式，其几何参数对其冲击性能的影响较大并且有较明确的变化趋势。
本文对该型梁的冲击特性进行了探究和分析。采用非线性有限元软件ANSYS/LS-DYNA来模拟对C型梁的冲击试验，冲击吸能性能分析指标包括结构失效形式、峰值载荷以及比吸能。根据飞机适坠性实验的设计标准，飞机迫降的垂直接地速率一般在7m/s到10m/s之间。在飞机客舱载重配置上要求平均分配到每个支撑杆上的质量不超过500kg。根据这一标准，本次研究设定冲击速率为7m/s，冲击质量为400kg。
1 几何参数的配置
C型梁的长度L，厚度C，腹板宽度A以及缘条宽度B将会在初始参数的基础上被单独进行考虑以获得对冲击特性影响的最佳结果，得到参数优化的水平确定范围。参数设计要确保参数之间的相对独立性，每次实验中仅仅变化一种因素水平，其他因素保持固定不变，已减少多因素水平的干扰误差。这种设计思路是参数变化设计的线性思维。在多因素优化设计中这种线性思维被经常用来确定参数的性质并据此得到参数优化的范围。
厚度设为以0.2毫米的间隔从1.2毫米变化到2毫米，长度以100毫米的间隔从300毫米变化到700毫米。两种变量腹板宽度A和缘条宽度B被选择来比较不同截面的C型梁的结构破坏性质。腹板A被设为41毫米，82毫米，123毫米以及164毫米，缘条宽度根据不大于腹板宽度的原则设为15毫米，21毫米，41毫米以及82毫米。所有的这些参数变化都是在相对独立的情形下，在初始设计参数的基础上加以变化，通过控制相应的变量变化，来得到某些制定参数对冲击性能的影响规律。并且将根据这些结果从中得到集几何参数与冲击性能的影响关系。
2 冲击性能分析
本文主要研究C型梁的几何因素对变形模式、力学行为以及吸能特性的影响，其衡量指标分别为失效变形形式，初始峰值载荷和比吸能。这些因素是梁结构的主要冲击特性和适坠性能优化设计的主要指标。
图2所示的是C型梁受冲击的结构变形图和载荷变化过程，其冲击反应曲线非常典型。从图中我们能看到两种不同的变形阶段，第一阶段，称为连续变形阶段，初始载荷比较大，这表明了初始最大加速度出现在撞击事件的开始，并且在接下载荷连续降低，第二阶段，称为全面屈曲阶段，载荷变化出现一系列的峰值和谷值，梁的缩变会出现褶变直到位移后期载荷变化过程非常平缓。载荷曲线与梁的失稳变形有着一一对应的关系，载荷曲线中的每一次峰值都对应在失稳变形的一次褶变，形成了一个新的褶变点。
初始峰值载荷是载荷变化曲线与加速度变化曲线的第一个载荷峰值，这是分析C型梁冲击特性的重要参数，其对C型梁的适坠性能具有很重要的意义，并影响到梁所支撑的客舱乘客的生存能力非常重要。
根据图3所示实验结果显示，在相同横截面几何尺寸下，不同长度的C型梁初始峰值载荷变化范围很窄，几乎保持不变，这意味着长度对初始峰值载荷几乎没有影响。初始峰值载荷与腹板宽度、缘条宽度以及梁厚度均呈现线性正相关关系，横向截面的几何尺寸对C型梁的峰值载荷呈递增函数关系。
图4所示的是不同几何因素变化得到的比吸能变化。随着梁长度的增加，梁的失效变形将更快的进入第二阶段即全面屈曲阶段，而相比全面屈曲阶段，第一阶段能吸收更多的冲击能量。我们的结果很好地吻合了这一理论。当长度是600毫米和700毫米时，比吸能几乎不再变化。失效形式对能量吸收能力有很大的影响，这将影响到其他因素对能量吸收影响的分析。随着梁厚度、缘条宽度的增加，比吸能都呈现线性增加的变化关系。
3 总结
（1） C型梁的冲击失效变形可以明显的分为连续变形阶段和全面屈曲阶段。
在第一阶段冲击载荷将随着褶变的出现不断产生峰值，每一次峰值载荷的出现都对应着一次褶变的产生。在第二阶段冲击载荷基本没有大的起伏，甚至保持恒定，在这一阶段梁变形主要是的褶变点的持续崩溃模式，不会再产生新的褶变点。并且，由于C型梁的开口不对称几何形式，不同几何尺寸的梁冲击变形两种阶段持续时间不同，甚至只会出现其中一种阶段。
（2）初始峰值载荷只与梁的横向尺寸有关，并且是一种线性增加函数的关系。初始峰值载荷与轴向尺寸几乎没有关系。
（3）比吸能随着长度的减少将逐渐增加，因为长度的减少将带来梁质量的减少，并且使梁的冲击变形过早地进入第二阶段从而吸收更多的冲击能量。比吸能与梁厚度，轮缘宽度都有非线性的正相关关系，无法得出比吸能与腹板宽度的关系。
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[责任编辑：朱丽娜]
