貨物撞擊載荷作用下門區(qū)攔網(wǎng)剛度特性分析

貨物撞擊載荷作用下門區(qū)攔網(wǎng)剛度特性分析

門區(qū)攔網(wǎng)非線性大變形模型的建立對(duì)于大型客運(yùn)列車，必須在客運(yùn)同時(shí)運(yùn)輸來(lái)自乘客的貨物。為了提高旅游客運(yùn)機(jī)的運(yùn)輸率，經(jīng)常在客艙地板下的空間配置下的底貨艙和箱式擴(kuò)散器。在底貨艙內(nèi)為防止飛機(jī)起降及飛行時(shí)貨物撞擊艙門,造成艙門堵死或損壞,需在門區(qū)設(shè)置一個(gè)攔阻裝置,對(duì)艙門起保護(hù)作用,這個(gè)攔阻裝置就稱為門區(qū)攔網(wǎng)。飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)第11冊(cè)規(guī)定貨艙系留系統(tǒng)應(yīng)能對(duì)貨物牢固限動(dòng),以保證在經(jīng)受CCAR25部規(guī)定的地面機(jī)動(dòng)載荷和飛行載荷作用下,不損傷飛機(jī)和貨物,貨艙系留系統(tǒng)按下列極限過(guò)載設(shè)計(jì),如表1所示,g=9.8m/s2。研究安全帶在乘員撞擊下的強(qiáng)度及剛度特性主要采用試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法,并主要集中在汽車安全帶、飛行員安全帶、機(jī)組活動(dòng)人員系留帶三個(gè)方面。其研究對(duì)象均為簡(jiǎn)單的單根網(wǎng)帶或其簡(jiǎn)單組合,不需要考慮網(wǎng)帶之間的變形協(xié)調(diào)關(guān)系,而大型客機(jī)底貨艙門區(qū)攔網(wǎng)由于其結(jié)構(gòu)上的復(fù)雜性,由多個(gè)攔網(wǎng)和立柱組成,其有限元建模技術(shù)與簡(jiǎn)單網(wǎng)帶多有不同。目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)貨物攔阻網(wǎng)載荷計(jì)算的研究成果并不多見,郭曉寧、張緒以某型客機(jī)貨艙系留系統(tǒng)為例,介紹了貨艙系留系統(tǒng)的靜強(qiáng)度分析和試驗(yàn)驗(yàn)證方法,提出了以沙袋重力模擬真實(shí)載荷加載的試驗(yàn)方法,對(duì)攔網(wǎng)的強(qiáng)度進(jìn)行了驗(yàn)證。MarkTrafford等人開展了A400M軍用運(yùn)輸機(jī)9g攔阻網(wǎng)全尺寸試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)方面的研究,并將試驗(yàn)得到的界面載荷與有限元分析值進(jìn)行了對(duì)比分析,指出有限元分析值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好,可為攔阻網(wǎng)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證提供參考。Boeing公司的AdrianViisoreanu等人在考慮攔阻網(wǎng)幾何非線性大變形的基礎(chǔ)上,通過(guò)MSC.Nastran對(duì)某型運(yùn)輸機(jī)9g攔阻網(wǎng)在不同初始形狀和撓度下的界面載荷和變形規(guī)律進(jìn)行了研究,并對(duì)有限元計(jì)算模型的收斂性進(jìn)行了探討。以上文獻(xiàn)對(duì)攔阻網(wǎng)的研究主要集中在試驗(yàn)驗(yàn)證方面,對(duì)攔阻網(wǎng)非線性有限元建模技術(shù)的研究較少,且尚未查到有關(guān)門區(qū)攔網(wǎng)載荷分析方面的報(bào)道,而CCAR25對(duì)貨運(yùn)設(shè)施又提出了明確的設(shè)計(jì)要求,因此迫切需要開展門區(qū)攔網(wǎng)界面載荷問(wèn)題的研究。本文同時(shí)考慮門區(qū)攔網(wǎng)的幾何非線性和材料非線性,構(gòu)建了門區(qū)攔網(wǎng)有限元模型;并利用MSC.Nastran非線性模塊分析了門區(qū)攔網(wǎng)在向前3.0g過(guò)載、向后1.5g過(guò)載和側(cè)向1.5g過(guò)載三種典型載荷工況下的界面載荷、網(wǎng)帶軸向力和網(wǎng)帶變形,確定出了不同工況下最大界面載荷所在的位置和網(wǎng)帶的薄弱部位。1問(wèn)題描述和建模1.1門區(qū)攔網(wǎng)的接頭門區(qū)攔網(wǎng)由2個(gè)1/4門網(wǎng)、2個(gè)3/4門網(wǎng)、1個(gè)航向門網(wǎng)和2個(gè)立柱組成,如圖1所示。1/4門網(wǎng)與航向門網(wǎng)可繞立柱滑動(dòng),3/4門網(wǎng)與航向門網(wǎng)通過(guò)快卸接頭相連。門區(qū)攔網(wǎng)通過(guò)34個(gè)接頭與地板相連,其中與客艙地板相連的接頭共有15個(gè),與貨艙地板相連的接頭共有19個(gè)。門區(qū)攔網(wǎng)的坐標(biāo)系為機(jī)體坐標(biāo)系,規(guī)定如下,XOY平面定義為飛機(jī)對(duì)稱平面,X軸從機(jī)頭指向機(jī)尾,Y軸垂直于X軸向上,Z軸按右手法則確定。門區(qū)攔網(wǎng)的裝載要求主要包括:最大允許裝載量,兩個(gè)3/4門網(wǎng)之間的A艙最大允許裝載量為1125kg,門網(wǎng)與隔網(wǎng)之間的B艙和C艙最大允許裝載量為770kg;最大裝載高度,貨物距天花板(客艙地板下表面)至少50.8mm;單件物品最大允許重量,單件貨物/物品不得超過(guò)50kg。1.2中小型企業(yè)計(jì)算模型構(gòu)建建立合理的計(jì)算模型是有限元法的關(guān)鍵。不恰當(dāng)?shù)哪Ｐ蜁?huì)帶來(lái)失真或誤差,甚至導(dǎo)致計(jì)算失敗;而好的計(jì)算模型則要利用以往成功的經(jīng)驗(yàn),經(jīng)過(guò)反復(fù)論證和必要的試算和試驗(yàn)才能產(chǎn)生。模型構(gòu)建主要包括三個(gè)方面:一、模型化;二、邊界條件/約束;三、載荷工況。下面對(duì)模型構(gòu)建的具體過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明。1.2.1模型中的cquad4模型門區(qū)攔網(wǎng)為軟式結(jié)構(gòu),在貨物載荷作用下,只能承受拉力,其中與上下地板相連接的豎向網(wǎng)帶為主承力網(wǎng)帶,無(wú)接頭的豎向網(wǎng)帶和橫向網(wǎng)帶為次承力網(wǎng)帶。依據(jù)門區(qū)攔網(wǎng)的特點(diǎn)及承力特性,在門區(qū)攔網(wǎng)有限元模型中。(1)將豎向網(wǎng)帶與橫向網(wǎng)帶簡(jiǎn)化為CBEAM元(非線性元),由于網(wǎng)帶主要沿其長(zhǎng)度方向承受拉力,因此模型中CBEAM元的橫截面尺寸取網(wǎng)帶的實(shí)際尺寸,但CBEAM元的慣性矩要設(shè)置的盡量小以弱化其承彎、承扭的能力;(2)將快卸接頭簡(jiǎn)化為CBAR元(線性元),立柱簡(jiǎn)化為空心梁元(線性元),網(wǎng)帶在立柱上的滑動(dòng)用滑移線單元模擬;(3)在豎向網(wǎng)帶與橫向網(wǎng)帶之間設(shè)置虛擬的CQUAD4膜元,虛擬膜元的添加是為了施加撞擊載荷時(shí)將撞擊載荷通過(guò)膜元分配到網(wǎng)帶的節(jié)點(diǎn)上。由于攔網(wǎng)豎向網(wǎng)帶與橫向網(wǎng)帶之間沒有結(jié)構(gòu)(膜元),現(xiàn)在為了施加貨物撞擊載荷而人為的添加了膜元,因此為了減小引入膜元帶來(lái)的誤差,將膜元的厚度取為0.02mm(為網(wǎng)帶厚度的1%),經(jīng)過(guò)試算,當(dāng)膜元的厚度小于0.02mm時(shí),攔網(wǎng)的界面載荷和網(wǎng)帶的最大變形趨于穩(wěn)定,即可以忽略引入膜元帶來(lái)的誤差。1.2.2材料和模型假設(shè)門區(qū)攔網(wǎng)有限元模型采用N、mm單位制,各主要承力構(gòu)件材料的選取為:快卸接頭、立柱的材料為2024-T3,豎向網(wǎng)帶、橫向網(wǎng)帶和膜元材料相同為滌綸(Polyester),由滌綸編織而成的攔網(wǎng)網(wǎng)帶的材料數(shù)據(jù)需通過(guò)網(wǎng)帶剛度試驗(yàn)測(cè)出。門區(qū)攔網(wǎng)通過(guò)快卸接頭與客艙地板和貨艙地板相連,快卸接頭可繞連接點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng),故在有限元模型中快卸接頭只約束三個(gè)方向的平動(dòng)自由度;立柱與客艙地板和貨艙地板上的軸承相連,可繞自身軸線轉(zhuǎn)動(dòng),故立柱約束三個(gè)方向的平動(dòng)自由度和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。由于門區(qū)攔網(wǎng)接頭較多,共有34個(gè),為了便于分析,現(xiàn)對(duì)快卸接頭和立柱接頭依次編號(hào)為J-1~J-34,具體編號(hào)順序如圖2所示。1.2.3簡(jiǎn)化載荷體系由于該型客機(jī)底貨艙所運(yùn)輸?shù)呢浳镏饕獮樾欣钗锲?均為小包裹、小貨物等散裝貨物,它們以過(guò)載的形式作用于攔網(wǎng)上,其分布類似于氣密載荷,因此可將門區(qū)攔網(wǎng)的受載簡(jiǎn)化為跟隨的均布載荷。門區(qū)攔網(wǎng)可承受向前的3.0g過(guò)載、向后的1.5g過(guò)載和側(cè)向的1.5g過(guò)載,如圖3所示。三種典型的載荷工況如下:(1)工況1:向前的3.0g過(guò)載,載荷施加在后側(cè)的1/4門網(wǎng)1、3/4門網(wǎng)1和前側(cè)的3/4門網(wǎng)2上;(2)工況2:向后的1.5g過(guò)載,載荷施加在前側(cè)的1/4門網(wǎng)2、3/4門網(wǎng)2和后側(cè)的3/4門網(wǎng)1上;(3)工況3:側(cè)向的1.5g過(guò)載,載荷只施加在航向門網(wǎng)上。2網(wǎng)帶剛度的變化門區(qū)攔網(wǎng)的網(wǎng)帶由滌綸編織而成,滌綸材料本身為非線性材料,且不同的編織方法會(huì)對(duì)網(wǎng)帶的剛度產(chǎn)生顯著的影響,而在有限元模型中網(wǎng)帶剛度的大小對(duì)網(wǎng)帶的受力有較大影響,因此需要對(duì)選定牌號(hào)的滌綸編織而成的定長(zhǎng)網(wǎng)帶做剛度測(cè)試試驗(yàn),并在有限元模型中對(duì)網(wǎng)帶的剛度進(jìn)行模擬,以考慮網(wǎng)帶材料非線性帶來(lái)的影響。2.1網(wǎng)帶材料的選取、拉伸和變形試驗(yàn)過(guò)程根據(jù)網(wǎng)帶剛度測(cè)試試驗(yàn)可得出網(wǎng)帶剛度隨載荷的變化趨勢(shì)(如圖4所示),同時(shí)也可檢驗(yàn)網(wǎng)帶的材料屬性是否滿足設(shè)計(jì)要求,即試驗(yàn)網(wǎng)帶的斷裂強(qiáng)度是否大于或等于網(wǎng)帶的最小斷裂強(qiáng)度,試驗(yàn)網(wǎng)帶的斷裂伸長(zhǎng)率是否小于或等于網(wǎng)帶的斷裂伸長(zhǎng)率。通過(guò)試驗(yàn)可知該型網(wǎng)帶的斷裂強(qiáng)度為15500N,斷裂伸長(zhǎng)率為13.52%,而網(wǎng)帶材料的選取首先要考慮在貨物撞擊載荷下網(wǎng)帶的最大斷裂強(qiáng)度和網(wǎng)帶的最大變形,其次還要考慮磨損、老化、網(wǎng)帶縫紉等因素對(duì)網(wǎng)帶造成的強(qiáng)度降,因此所選網(wǎng)帶材料的斷裂強(qiáng)度一般要大于計(jì)算分析得出的網(wǎng)帶的斷裂強(qiáng)度。網(wǎng)帶剛度測(cè)試試驗(yàn)的試驗(yàn)帶長(zhǎng)為250.0mm,網(wǎng)帶標(biāo)距(有效部分)為200.0mm,厚度為2.0mm,寬度為25.0mm。將網(wǎng)帶用專用夾具固定在電腦伺服控制材料試驗(yàn)機(jī)上,加500N預(yù)緊力將網(wǎng)帶拉緊,并以30mm/min的恒定速度拉伸,直至網(wǎng)帶斷裂,同時(shí)間隔500N記錄一次網(wǎng)帶的長(zhǎng)度,試驗(yàn)過(guò)程中假設(shè)網(wǎng)帶的體積不變,則根據(jù)式(1)便可算出網(wǎng)帶的剛度。式中,F為拉伸載荷(N);A為網(wǎng)帶橫截面積(mm2);L為網(wǎng)帶標(biāo)距(mm);Δl為網(wǎng)帶伸長(zhǎng)量(mm);E為網(wǎng)帶的剛度(MPa)。2.2網(wǎng)帶初始剛度由于門區(qū)攔網(wǎng)的網(wǎng)帶為非線性材料,網(wǎng)帶的剛度隨載荷的變化而變化,即E為一變量。因此,在有限元模型中需要對(duì)網(wǎng)帶的剛度進(jìn)行模擬(以考慮網(wǎng)帶材料非線性帶來(lái)的影響),即要按照一定的規(guī)律對(duì)網(wǎng)帶的剛度進(jìn)行迭代,直至滿足規(guī)定的誤差為止。網(wǎng)帶剛度迭代按以下步驟進(jìn)行:(1)假設(shè)網(wǎng)帶初始剛度;(2)根據(jù)網(wǎng)帶初始剛度計(jì)算門區(qū)攔網(wǎng)各個(gè)網(wǎng)帶的軸向力;(3)根據(jù)各個(gè)網(wǎng)帶的軸向力查圖4得出各個(gè)網(wǎng)帶的剛度;(4)按更新的網(wǎng)帶剛度修改有限元模型,重新計(jì)算門區(qū)攔網(wǎng)各個(gè)網(wǎng)帶的軸向力;(5)重復(fù)(3)、(4)步的迭代過(guò)程,直到門區(qū)攔網(wǎng)各個(gè)網(wǎng)帶軸向力誤差滿足工程要求(,F為網(wǎng)帶軸向力、n為迭代次數(shù))為止。網(wǎng)帶初始剛度的假設(shè)主要有兩種方法,一是按各個(gè)網(wǎng)帶均勻承載進(jìn)行假設(shè),這種假設(shè)方法前期迭代時(shí)網(wǎng)帶剛度誤差較大,收斂速度較慢;二是根據(jù)各個(gè)網(wǎng)帶承載的大小將其歸整為幾類網(wǎng)帶,分別給定剛度,這種假設(shè)方法迭代時(shí)網(wǎng)帶剛度誤差較小,收斂速度也較快,但是這種假設(shè)方法需要一定的工程經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的支持。在該計(jì)算中,網(wǎng)帶的初始剛度按其均勻承載進(jìn)行假設(shè),同時(shí),由于門區(qū)攔網(wǎng)在較大的貨物撞擊載荷下求解難于收斂,因此可將目標(biāo)載荷等分為若干份后分步加載求解,門區(qū)攔網(wǎng)非線性有限元求解的具體流程如圖5所示。3n非線性模塊分析在上述建模基礎(chǔ)上,利用MSC.Nastran非線性模塊分析了門區(qū)攔網(wǎng)在典型工況下的界面載荷、網(wǎng)帶軸向力和網(wǎng)帶的最大變形,確定出了不同工況下最大界面載荷所在的位置和網(wǎng)帶的薄弱部位。3.1隔網(wǎng)載荷的承擔(dān)門區(qū)攔網(wǎng)的界面載荷對(duì)網(wǎng)帶接頭和網(wǎng)帶與機(jī)身連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與強(qiáng)度校核至關(guān)重要,現(xiàn)對(duì)門區(qū)攔網(wǎng)分別施加向前3.0g過(guò)載、向后1.5g過(guò)載和側(cè)向1.5g過(guò)載進(jìn)行計(jì)算,得到各個(gè)網(wǎng)帶與機(jī)身地板橫梁和機(jī)身連接點(diǎn)處的界面載荷如圖6所示。通過(guò)對(duì)這三種典型工況的分析可知:(1)航向載荷作用下,門區(qū)攔網(wǎng)主要起分隔貨物的作用,載荷主要由隔網(wǎng)1(1/4門網(wǎng)1、立柱1和3/4門網(wǎng)1)和隔網(wǎng)2(1/4門網(wǎng)2、立柱2和3/4門網(wǎng)2)承受;(2)航向載荷作用下,向后1.5g過(guò)載所形成的最大界面載荷小于向前3.0g過(guò)載所形成的最大界面載荷,門區(qū)攔網(wǎng)與客艙地板的最大界面載荷出現(xiàn)在J-21處,為8629.67N,與貨艙地板的最大界面載荷出現(xiàn)在J-25處,為7317.96N;(3)側(cè)向1.5g過(guò)載作用下,門區(qū)攔網(wǎng)主要起保護(hù)艙門的作用,載荷主要由航向門網(wǎng)和立柱承受,其中航向門網(wǎng)承受了總載荷的59.48%、立柱承受了總載荷的21.69%,其余門網(wǎng)僅承受了總載荷的18.83%;(4)側(cè)向1.5g過(guò)載作用下,門區(qū)攔網(wǎng)與客艙地板的最大界面載荷出現(xiàn)在J-30處,為5000.52N,與貨艙地板的最大界面載荷出現(xiàn)在J-33處,為4978.81N。由于客艙地板的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大于貨艙地板的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,因此在對(duì)門區(qū)攔網(wǎng)接頭進(jìn)行布置時(shí),應(yīng)盡量將受力較大的接頭布置在客艙地板上,以充分利用結(jié)構(gòu)本身的強(qiáng)度,減少結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)對(duì)機(jī)體重量的影響。3.2典型網(wǎng)帶的分析門區(qū)攔網(wǎng)網(wǎng)帶主要沿長(zhǎng)度方向承受拉力(軸向力),在正常使用中對(duì)網(wǎng)帶的要求為,在限制載荷作用下,網(wǎng)帶及其縫紉部位應(yīng)沒有明顯的破損或斷裂,因此需要對(duì)門區(qū)攔網(wǎng)在貨物撞擊載荷下網(wǎng)帶的軸向力進(jìn)行分析,以校核其連接區(qū)域的強(qiáng)度。通過(guò)對(duì)門區(qū)攔網(wǎng)所有網(wǎng)帶進(jìn)行歸類,可得以下幾種典型的網(wǎng)帶:單接頭豎向網(wǎng)帶、雙接頭豎向網(wǎng)帶、無(wú)接頭豎向網(wǎng)帶、隔網(wǎng)橫向網(wǎng)帶和航向門網(wǎng)橫向網(wǎng)帶。通過(guò)對(duì)典型工況下網(wǎng)帶軸向力的分析,可以得出以下規(guī)律:(1)單接頭豎向網(wǎng)帶,網(wǎng)帶軸向力從有接頭端到無(wú)接頭端逐漸減小;雙接頭豎向網(wǎng)帶,網(wǎng)帶軸向力從兩端向內(nèi)逐漸減小;無(wú)接頭豎向網(wǎng)帶,網(wǎng)帶軸向力從兩端向內(nèi)逐漸增大;(2)隔網(wǎng)橫向網(wǎng)帶,與立柱接觸部分的網(wǎng)帶軸向力較大,遠(yuǎn)離立柱部分的網(wǎng)帶軸向力較小且變化幅度較小;航向門網(wǎng)橫向網(wǎng)帶的軸向力大于航向門網(wǎng)無(wú)接頭豎向網(wǎng)帶的軸向力,且橫向網(wǎng)帶軸向力的變化幅度亦較小。通過(guò)對(duì)網(wǎng)帶軸向力分布規(guī)律的研究,可知:雙接頭豎向網(wǎng)帶與靠近地板(客艙、貨艙地板)的橫向網(wǎng)帶的縫紉部位為最薄弱部位,易于發(fā)生斷裂;橫向網(wǎng)帶與立柱相接觸的部位軸向力較大,易于發(fā)生磨損破壞,應(yīng)定期對(duì)其進(jìn)行檢修。3.3撞擊載荷作用下三種典型工況分析底貨艙門區(qū)攔網(wǎng)的設(shè)置是為了分隔并限動(dòng)貨物,防止貨物過(guò)量移動(dòng),以保證在地面機(jī)動(dòng)載荷和飛行載荷作用下,不損傷飛機(jī)和貨物,同時(shí)保證底貨艙門可以正常打開和關(guān)閉。因此門區(qū)攔網(wǎng)的最大變形是其設(shè)計(jì)指標(biāo)之一,即不允許門網(wǎng)在貨物撞擊載荷下引起的變形損壞艙門或堵塞艙門打開通道。通過(guò)對(duì)三種典型工況的分析(如圖7所示)可知:(1)向前3.0g過(guò)載作用下,隔網(wǎng)1、立柱2和3/4門網(wǎng)2的變形最大,大于其他兩種工況下的變形;(2)向后1.5g過(guò)載作用下,1/4門網(wǎng)2的變形最大,大于其他兩種工況下的變形;(3)側(cè)向1.5g過(guò)載作用下,航向門網(wǎng)的變形最大,大于其他兩種工況下的變形。由門區(qū)攔網(wǎng)的結(jié)構(gòu)可知,1/4門網(wǎng)1、立柱1、航向門網(wǎng)、立柱2和1/4門網(wǎng)2組成的Π型攔網(wǎng)主要對(duì)艙門起保護(hù)作用,在貨物撞擊載荷下其最大變形分別為131.98mm、6.28mm、174.20mm、4.41mm、104.29mm,Π型攔網(wǎng)的最大變形可為門區(qū)