货物撞击载荷作用下门区拦网刚度特性分析

货物撞击载荷作用下门区拦网刚度特性分析

门区拦网非线性大变形模型的建立对于大型客运列车，必须在客运同时运输来自乘客的货物。为了提高旅游客运机的运输率，经常在客舱地板下的空间配置下的底货舱和箱式扩散器。在底货舱内为防止飞机起降及飞行时货物撞击舱门,造成舱门堵死或损坏,需在门区设置一个拦阻装置,对舱门起保护作用,这个拦阻装置就称为门区拦网。飞机设计手册第11册规定货舱系留系统应能对货物牢固限动,以保证在经受CCAR25部规定的地面机动载荷和飞行载荷作用下,不损伤飞机和货物,货舱系留系统按下列极限过载设计,如表1所示,g=9.8m/s2。研究安全带在乘员撞击下的强度及刚度特性主要采用试验和数值模拟的方法,并主要集中在汽车安全带、飞行员安全带、机组活动人员系留带三个方面。其研究对象均为简单的单根网带或其简单组合,不需要考虑网带之间的变形协调关系,而大型客机底货舱门区拦网由于其结构上的复杂性,由多个拦网和立柱组成,其有限元建模技术与简单网带多有不同。目前国内外有关货物拦阻网载荷计算的研究成果并不多见,郭晓宁、张绪以某型客机货舱系留系统为例,介绍了货舱系留系统的静强度分析和试验验证方法,提出了以沙袋重力模拟真实载荷加载的试验方法,对拦网的强度进行了验证。MarkTrafford等人开展了A400M军用运输机9g拦阻网全尺寸试验验证技术方面的研究,并将试验得到的界面载荷与有限元分析值进行了对比分析,指出有限元分析值与实验结果吻合较好,可为拦阻网的设计和试验验证提供参考。Boeing公司的AdrianViisoreanu等人在考虑拦阻网几何非线性大变形的基础上,通过MSC.Nastran对某型运输机9g拦阻网在不同初始形状和挠度下的界面载荷和变形规律进行了研究,并对有限元计算模型的收敛性进行了探讨。以上文献对拦阻网的研究主要集中在试验验证方面,对拦阻网非线性有限元建模技术的研究较少,且尚未查到有关门区拦网载荷分析方面的报道,而CCAR25对货运设施又提出了明确的设计要求,因此迫切需要开展门区拦网界面载荷问题的研究。本文同时考虑门区拦网的几何非线性和材料非线性,构建了门区拦网有限元模型;并利用MSC.Nastran非线性模块分析了门区拦网在向前3.0g过载、向后1.5g过载和侧向1.5g过载三种典型载荷工况下的界面载荷、网带轴向力和网带变形,确定出了不同工况下最大界面载荷所在的位置和网带的薄弱部位。1问题描述和建模1.1门区拦网的接头门区拦网由2个1/4门网、2个3/4门网、1个航向门网和2个立柱组成,如图1所示。1/4门网与航向门网可绕立柱滑动,3/4门网与航向门网通过快卸接头相连。门区拦网通过34个接头与地板相连,其中与客舱地板相连的接头共有15个,与货舱地板相连的接头共有19个。门区拦网的坐标系为机体坐标系,规定如下,XOY平面定义为飞机对称平面,X轴从机头指向机尾,Y轴垂直于X轴向上,Z轴按右手法则确定。门区拦网的装载要求主要包括:最大允许装载量,两个3/4门网之间的A舱最大允许装载量为1125kg,门网与隔网之间的B舱和C舱最大允许装载量为770kg;最大装载高度,货物距天花板(客舱地板下表面)至少50.8mm;单件物品最大允许重量,单件货物/物品不得超过50kg。1.2中小型企业计算模型构建建立合理的计算模型是有限元法的关键。不恰当的模型会带来失真或误差,甚至导致计算失败;而好的计算模型则要利用以往成功的经验,经过反复论证和必要的试算和试验才能产生。模型构建主要包括三个方面:一、模型化;二、边界条件/约束;三、载荷工况。下面对模型构建的具体过程进行说明。1.2.1模型中的cquad4模型门区拦网为软式结构,在货物载荷作用下,只能承受拉力,其中与上下地板相连接的竖向网带为主承力网带,无接头的竖向网带和横向网带为次承力网带。依据门区拦网的特点及承力特性,在门区拦网有限元模型中。(1)将竖向网带与横向网带简化为CBEAM元(非线性元),由于网带主要沿其长度方向承受拉力,因此模型中CBEAM元的横截面尺寸取网带的实际尺寸,但CBEAM元的惯性矩要设置的尽量小以弱化其承弯、承扭的能力;(2)将快卸接头简化为CBAR元(线性元),立柱简化为空心梁元(线性元),网带在立柱上的滑动用滑移线单元模拟;(3)在竖向网带与横向网带之间设置虚拟的CQUAD4膜元,虚拟膜元的添加是为了施加撞击载荷时将撞击载荷通过膜元分配到网带的节点上。由于拦网竖向网带与横向网带之间没有结构(膜元),现在为了施加货物撞击载荷而人为的添加了膜元,因此为了减小引入膜元带来的误差,将膜元的厚度取为0.02mm(为网带厚度的1%),经过试算,当膜元的厚度小于0.02mm时,拦网的界面载荷和网带的最大变形趋于稳定,即可以忽略引入膜元带来的误差。1.2.2材料和模型假设门区拦网有限元模型采用N、mm单位制,各主要承力构件材料的选取为:快卸接头、立柱的材料为2024-T3,竖向网带、横向网带和膜元材料相同为涤纶(Polyester),由涤纶编织而成的拦网网带的材料数据需通过网带刚度试验测出。门区拦网通过快卸接头与客舱地板和货舱地板相连,快卸接头可绕连接点转动,故在有限元模型中快卸接头只约束三个方向的平动自由度;立柱与客舱地板和货舱地板上的轴承相连,可绕自身轴线转动,故立柱约束三个方向的平动自由度和两个转动自由度。由于门区拦网接头较多,共有34个,为了便于分析,现对快卸接头和立柱接头依次编号为J-1~J-34,具体编号顺序如图2所示。1.2.3简化载荷体系由于该型客机底货舱所运输的货物主要为行李物品,均为小包裹、小货物等散装货物,它们以过载的形式作用于拦网上,其分布类似于气密载荷,因此可将门区拦网的受载简化为跟随的均布载荷。门区拦网可承受向前的3.0g过载、向后的1.5g过载和侧向的1.5g过载,如图3所示。三种典型的载荷工况如下:(1)工况1:向前的3.0g过载,载荷施加在后侧的1/4门网1、3/4门网1和前侧的3/4门网2上;(2)工况2:向后的1.5g过载,载荷施加在前侧的1/4门网2、3/4门网2和后侧的3/4门网1上;(3)工况3:侧向的1.5g过载,载荷只施加在航向门网上。2网带刚度的变化门区拦网的网带由涤纶编织而成,涤纶材料本身为非线性材料,且不同的编织方法会对网带的刚度产生显著的影响,而在有限元模型中网带刚度的大小对网带的受力有较大影响,因此需要对选定牌号的涤纶编织而成的定长网带做刚度测试试验,并在有限元模型中对网带的刚度进行模拟,以考虑网带材料非线性带来的影响。2.1网带材料的选取、拉伸和变形试验过程根据网带刚度测试试验可得出网带刚度随载荷的变化趋势(如图4所示),同时也可检验网带的材料属性是否满足设计要求,即试验网带的断裂强度是否大于或等于网带的最小断裂强度,试验网带的断裂伸长率是否小于或等于网带的断裂伸长率。通过试验可知该型网带的断裂强度为15500N,断裂伸长率为13.52%,而网带材料的选取首先要考虑在货物撞击载荷下网带的最大断裂强度和网带的最大变形,其次还要考虑磨损、老化、网带缝纫等因素对网带造成的强度降,因此所选网带材料的断裂强度一般要大于计算分析得出的网带的断裂强度。网带刚度测试试验的试验带长为250.0mm,网带标距(有效部分)为200.0mm,厚度为2.0mm,宽度为25.0mm。将网带用专用夹具固定在电脑伺服控制材料试验机上,加500N预紧力将网带拉紧,并以30mm/min的恒定速度拉伸,直至网带断裂,同时间隔500N记录一次网带的长度,试验过程中假设网带的体积不变,则根据式(1)便可算出网带的刚度。式中,F为拉伸载荷(N);A为网带横截面积(mm2);L为网带标距(mm);Δl为网带伸长量(mm);E为网带的刚度(MPa)。2.2网带初始刚度由于门区拦网的网带为非线性材料,网带的刚度随载荷的变化而变化,即E为一变量。因此,在有限元模型中需要对网带的刚度进行模拟(以考虑网带材料非线性带来的影响),即要按照一定的规律对网带的刚度进行迭代,直至满足规定的误差为止。网带刚度迭代按以下步骤进行:(1)假设网带初始刚度;(2)根据网带初始刚度计算门区拦网各个网带的轴向力;(3)根据各个网带的轴向力查图4得出各个网带的刚度;(4)按更新的网带刚度修改有限元模型,重新计算门区拦网各个网带的轴向力;(5)重复(3)、(4)步的迭代过程,直到门区拦网各个网带轴向力误差满足工程要求(,F为网带轴向力、n为迭代次数)为止。网带初始刚度的假设主要有两种方法,一是按各个网带均匀承载进行假设,这种假设方法前期迭代时网带刚度误差较大,收敛速度较慢;二是根据各个网带承载的大小将其归整为几类网带,分别给定刚度,这种假设方法迭代时网带刚度误差较小,收敛速度也较快,但是这种假设方法需要一定的工程经验和试验数据的支持。在该计算中,网带的初始刚度按其均匀承载进行假设,同时,由于门区拦网在较大的货物撞击载荷下求解难于收敛,因此可将目标载荷等分为若干份后分步加载求解,门区拦网非线性有限元求解的具体流程如图5所示。3n非线性模块分析在上述建模基础上,利用MSC.Nastran非线性模块分析了门区拦网在典型工况下的界面载荷、网带轴向力和网带的最大变形,确定出了不同工况下最大界面载荷所在的位置和网带的薄弱部位。3.1隔网载荷的承担门区拦网的界面载荷对网带接头和网带与机身连接结构的设计与强度校核至关重要,现对门区拦网分别施加向前3.0g过载、向后1.5g过载和侧向1.5g过载进行计算,得到各个网带与机身地板横梁和机身连接点处的界面载荷如图6所示。通过对这三种典型工况的分析可知:(1)航向载荷作用下,门区拦网主要起分隔货物的作用,载荷主要由隔网1(1/4门网1、立柱1和3/4门网1)和隔网2(1/4门网2、立柱2和3/4门网2)承受;(2)航向载荷作用下,向后1.5g过载所形成的最大界面载荷小于向前3.0g过载所形成的最大界面载荷,门区拦网与客舱地板的最大界面载荷出现在J-21处,为8629.67N,与货舱地板的最大界面载荷出现在J-25处,为7317.96N;(3)侧向1.5g过载作用下,门区拦网主要起保护舱门的作用,载荷主要由航向门网和立柱承受,其中航向门网承受了总载荷的59.48%、立柱承受了总载荷的21.69%,其余门网仅承受了总载荷的18.83%;(4)侧向1.5g过载作用下,门区拦网与客舱地板的最大界面载荷出现在J-30处,为5000.52N,与货舱地板的最大界面载荷出现在J-33处,为4978.81N。由于客舱地板的结构强度大于货舱地板的结构强度,因此在对门区拦网接头进行布置时,应尽量将受力较大的接头布置在客舱地板上,以充分利用结构本身的强度,减少结构补强对机体重量的影响。3.2典型网带的分析门区拦网网带主要沿长度方向承受拉力(轴向力),在正常使用中对网带的要求为,在限制载荷作用下,网带及其缝纫部位应没有明显的破损或断裂,因此需要对门区拦网在货物撞击载荷下网带的轴向力进行分析,以校核其连接区域的强度。通过对门区拦网所有网带进行归类,可得以下几种典型的网带:单接头竖向网带、双接头竖向网带、无接头竖向网带、隔网横向网带和航向门网横向网带。通过对典型工况下网带轴向力的分析,可以得出以下规律:(1)单接头竖向网带,网带轴向力从有接头端到无接头端逐渐减小;双接头竖向网带,网带轴向力从两端向内逐渐减小;无接头竖向网带,网带轴向力从两端向内逐渐增大;(2)隔网横向网带,与立柱接触部分的网带轴向力较大,远离立柱部分的网带轴向力较小且变化幅度较小;航向门网横向网带的轴向力大于航向门网无接头竖向网带的轴向力,且横向网带轴向力的变化幅度亦较小。通过对网带轴向力分布规律的研究,可知:双接头竖向网带与靠近地板(客舱、货舱地板)的横向网带的缝纫部位为最薄弱部位,易于发生断裂;横向网带与立柱相接触的部位轴向力较大,易于发生磨损破坏,应定期对其进行检修。3.3撞击载荷作用下三种典型工况分析底货舱门区拦网的设置是为了分隔并限动货物,防止货物过量移动,以保证在地面机动载荷和飞行载荷作用下,不损伤飞机和货物,同时保证底货舱门可以正常打开和关闭。因此门区拦网的最大变形是其设计指标之一,即不允许门网在货物撞击载荷下引起的变形损坏舱门或堵塞舱门打开通道。通过对三种典型工况的分析(如图7所示)可知:(1)向前3.0g过载作用下,隔网1、立柱2和3/4门网2的变形最大,大于其他两种工况下的变形;(2)向后1.5g过载作用下,1/4门网2的变形最大,大于其他两种工况下的变形;(3)侧向1.5g过载作用下,航向门网的变形最大,大于其他两种工况下的变形。由门区拦网的结构可知,1/4门网1、立柱1、航向门网、立柱2和1/4门网2组成的Π型拦网主要对舱门起保护作用,在货物撞击载荷下其最大变形分别为131.98mm、6.28mm、174.20mm、4.41mm、104.29mm,Π型拦网的最大变形可为门区