基于ANSYS/LS-DYNA的進近燈光桿塔撞擊應力數值仿真

張積洪，李德根

ZHANG Ji-hong，LI De-gen

（中國民航大學 航空自動化學院，天津 300300）

0 引言

在機場內，各種各樣的目視助航設施（例如進近燈光桿塔、氣象設備、無線電導航設施）安裝在靠近跑道、滑行道和機坪之處，飛機在著陸、起飛或地面操作中，偶然會碰撞上這些設施，而一旦碰撞上，必將會對飛機造成一定程度的損壞，所以這些設施設備及其支撐結構要求必須是易折的，并且其安裝高度要盡可能地低，以保證飛機在碰撞到這些設施設備時不致失控。剛性設計（左）的進近燈光站點正在由新的易折結構（右）代替，如圖1所示。

圖1 剛性設計（左）的進近燈光站點正在由新的易折結構（右）代替

本文從應力的角度，采用有限元分析的方法，試圖得到進近燈光桿塔燈塔在撞擊過程中的應力，并進而分析進近燈光桿塔破斷的原因，為易折結構的優化設計及其強度的提高提供一種方法和手段。

1 顯式有限元動力分析的理論基礎

碰撞過程是一個瞬態的復雜物理過程，它包含以大位移、大應變為特征的幾何非線性和以材料彈塑性變形為典型特征的材料非線性，這些非線性物理現象的綜合作用結果使進近燈光桿塔塔碰撞過程的精確描述和求解十分困難。所以模擬飛機撞擊進近燈光桿塔的撞擊問題一般都采用顯式有限元算法。

1.1 LS-DYNA 軟件簡介

LS-DYNA 是功能齊全的非線性分析程序包，可以模擬各種復雜的非線性動態過程，求解各種幾何非線性、材料非線性和接觸非線性問題，其顯式算法特別適合于分析各種非線性沖擊動力學問題，如沖擊、爆炸、結構撞擊等。

1.2 計算的基本假設

在有限元建模過程中，為簡化計算采用了以下假設：

1）由于基于不同溫度的精確材料實驗數據較難獲得，本分析中不考慮溫度對材料屬性的影響，使用溫度為常溫（RT取20℃）時的材料參數，并應用于分析所有情況。

2）為了方便有限元的分析，飛機結構模型和進近燈光桿塔燈塔的結構做了相應的簡化，把飛機模型簡化為同等質量的外形規整的剛體，而進近燈光桿塔燈塔結構中過小的圓角都做了相應處理，且其整個模型的高度縮小了三倍。

2 有限元仿真模型

2.1 建模及網格劃分

ANSYS雖然也有功能強大的建模工具，但與現代CAD軟件相比要弱的多，尤其對于復雜的模型，修改起來非常困難，并且ANAYS在創建模型之前，必須確定每個節點的位置以及每個單元的大小、形狀和連接，這樣非常繁瑣，并且容易出錯。在現代的協同設計體系中，設計人員采用CAD軟件如Pro/E、UG、SolidWorks等進行結構設計，分析人員采用CAE軟件如ANSYS、Marc等進行結構分析，設計人員和分析人員協同工作完成產品設計任務。可以直接把設計人員創建的CAD結構模型導入到CAE軟件中進行分析，則省去了在CAE軟件中復雜的建模過程，大大降低了分析人員的勞動強度，可以使其從繁重的幾何建模工作中脫離出來，而把更多的精力用于提高有限元模型精度、研究分析方法等上來，從而提高工作效率[1]。

由于在SolidWorks中建模更方便，所以在SolidWorks中完成飛機簡化模型、進近燈光桿塔燈塔的三維模型，然后導入ANSYS/LS-DYNA中，導入后的模型如圖2所示，飛機和進近燈光桿塔燈塔模型的該材料的彈性模量 E= 210GPa，泊松比=0.28，屈 服 極 限σ=620MPa，密度=7.7×103kg/m3。飛機和進近燈光桿塔燈塔模型都采用ANSYS/LS-DYNA中的SOLID164實體單元，它是 8節點六面體單元，采用單點積分和沙漏控制算法。采用ANSYS/LS-DYNA自由網格劃分，它具有自動生成單元大小的特點，并在網格生成過程中自動生成合理的形狀單元。

圖2 導入后的模型

根據以往燈塔發生破壞的經驗，在進近燈光桿塔燈塔底端橫截面積最小處及與底板過渡處斷裂的可能性比較大，為了更準確地體現模型局部的受力狀況，故在此處細化網格劃分。進近燈光桿塔燈塔局部網格細化后的結果如圖3所示，劃分網格后的有限元模型如圖4所示。

圖3 局部網格細化

圖4 劃分網格后的有限元模型

2.2 約束及載荷的添加

飛機沿運動方向Z正向撞擊進近燈光桿塔燈塔，因此在進近燈光桿塔燈塔的四個底角添加了全約束。飛機質量為6000Kg，速度為120Km/h，由于摩擦力相對于撞擊力小的多，因此可以忽略不計。

2.3 接觸界面的定義

因為可以判定飛機前端面和進近燈光桿塔燈塔圓柱面碰撞接觸， 因此采用ANSYS/LS-DYNA中的表面-表面（Su rface to Su rface）接觸類型，面面接觸是ANSYS/LS-DYNA中常用的一種接觸類型,一般用于任意形狀有相對較大接觸面積的物體接觸中。采用自動接觸（Au tomatic）算法，程序將自動確定單元接觸面方向。

3 計算結果及分析

對于上面所建立的有限元仿真模型,經求解可以得到進近燈光桿塔燈塔的應力、位移等數據。利用ANSYS/LS-DYNA處理程序可以得到燈塔的應力、位移等數據和圖像。將 LS-DYNA 的計算結果導入到后處理軟件LSPREPOST中，可以得到進近燈光桿塔燈塔在不同時刻的應力位移等分布，以及方便查看求解的歷程關系。

3.1 應力分析

進近燈光桿塔燈塔的應力云圖如圖5所示，由應力云圖可以看出，在進近燈光桿塔燈塔的底部、靠近底板處和距離尾端一定距離處（橫截面面積較小的那部分）的應力較大。進近燈光桿塔燈塔在碰撞過程中的斷裂主要發生在橫截面面積較小處，由應力云圖可以看到在這一區域包含應力最大的區域，其中橫截面面積最小處單元4364處的應力最大。單元 4364處Z向應力時間歷程曲線如圖 6所示。在這一單元，在8ms時刻該單元有最大壓應力10.38Gpa，在20ms時刻該節點有最大的拉應力4.0Gpa，拉應力小于材料的屈服極限，而壓應力大于材料的屈服極限，因此進近燈光桿塔燈塔的斷裂是在撞擊的直接作用下發生。

圖5 進近燈光桿塔燈塔的應力云圖

圖6 單元4364應力時間歷程曲線

3.2 速度位移分析

圖7和圖8為位于進近燈光桿塔燈塔靠近底板的編號為1344的節點沿 Z軸方向的時間位移曲線和速度位移曲線。從圖7中可以看出靠近底板的位移在8ms以前是隨時間增大而不斷增加的，由此可以判斷燈塔在8ms以前一直是沿Z軸正方向運動的，在8ms以后因碰撞而反方向運動。燈塔在此節點的速度在8ms前基本是沿Z軸正方向，在飛機撞擊進近燈光桿塔燈塔后，燈塔此節點在3ms時速度達到0.8m/s。在8ms后，進近燈光桿塔燈塔速度開始下降。

圖7 節點1344沿Z軸方向的時間位移曲線

圖8 節點1344沿Z軸方向的時間速度曲線

4 結束語

剛性進近燈光桿塔燈塔受飛機撞擊的受力過程和燈塔結構損傷可以用ANSYS/LS-DYNA 軟件模擬，可以有效的分析燈塔的整體和局部的變形情況。且飛機撞擊進近燈光桿塔燈塔的最危險點出現在燈塔底端的最小橫截面處，這里恰巧是易折結構的位置，從而對易折結構的優化設計具有很好的指導作用。

[1]劉相新,孟憲頤.ANSYS基礎與應用教程[M].北京：科學出版社,2007.

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[3]尚曉江,蘇建宇.ANSYS/LS-DYNA動力學分析方法與工程實例[M].北京：中國水利水電出版社,2006.

[4]何濤,楊競,金鑫.ANSYS10.0 /LS-DYNA非線性有限元分析實例指導教程[M].機械工業出版社,2007.

[5]郝秀平,張家越,薄玉成,徐健.基于 ANSYS/LS-DYNA的擊針撞擊應力數值仿真[J].山西師范大學學報（自然科學版）2009,23（4）：54-58.