基于HyperWorks的航炮吊舱加速度冲击瞬态响应分析

刘小涛，顾卫平，高岚，曹立帅
庆安集团有限公司航空设备研究所，陕西 西安 710077

摘要：航炮吊舱由大量薄壁件组成，是航空武器系统中最复杂的装置之一。当载机着陆时，航炮吊舱不仅承受竖直向下半正弦波冲击脉冲作用，还要承受向心预紧力的作用，这是航炮吊舱主要受力工况。GJB150.18[1]冲击试验要求对航空产品进行加速度冲击分析，由于冲击环境条件非常复杂，导致应用有限元法对加速度冲击响应进行计算是一个难于解决的问题。本文首先应用Altair 公司的前处理软件HyperMesh对结构进行网格划分，然后应用通用数值分析软件RADIOSS对航炮吊舱进行直接法加速度冲击响应分析，对该产品在加速度冲击及向心预紧力共同作用下的刚度及强度的动力响应进行分析，得到了结构上任意点处应力与变形的时间历程曲线，缩短了产品研发的周期，对产品的改进设计以及冲击试验的进行具有积极的指导作用。

关键词：航炮吊舱 加速度冲击 瞬态响应分析 直接法 RADIOSS

0引言

在航空工程领域，冲击问题十分普遍，由于其高度非线性及不连续性，导致冲击问题的求解十分困难[2]。而材料力学中，对冲击问题仅给出了以一系列假设为基础的近似解法。该近似解法的核心是认为冲击物体在冲击过程中损失的能量等于储存在被冲击物中的能量。显然，由于没有考虑能量耗散等因素，导致被冲击物中的变形能高于实际情况，因而计算结果是偏于保守的[3]。试验可以清楚地反映冲击过程，但由于冲击过程十分短暂，冲击环境条件非常复杂，导致冲击试验的进行非常困难。

计算机技术的飞速发展、有限元理论及其商用软件的不断完善，为解决加速度冲击试验仿真问题提供了有效的求解工具。本文应用有限元软件HyperWorks[4]并采用半正弦波冲击脉冲作用对航炮吊舱加速度冲击试验进行模拟，得到了结构上任意点处应力与变形的时间历程曲线。计算结果表明，应用有限元软件进行冲击试验的仿真分析是可行的、有效的。

1几何模型

航炮吊舱结构复杂，由大量薄壁件组成，是航空武器系统中受力最复杂的装置之一。同时考虑到动力学瞬态响应分析的复杂性，此次有限元仿真分析以弹箱、航炮以及航炮吊舱主要承力件骨架、后固定盘、后固定座为研究对象，后固定盘位于骨架后端，通过8个螺栓与骨架连接；后固定座位于骨架顶部下面，通过10个螺栓与骨架连接。主要质量分布为：弹箱重90kg，固定在后固定盘上；航炮重53kg，与后固定座及骨架连接，航炮吊舱几何模型如图1所示。

2有限元模型

采用10节点四面体单元Tet10分别对骨架、后固定盘、后固定座进行网格划分，取平均单元尺寸为5mm。为了保证计算精度，根据初次分析结果对应力较大部位进行网格细化，平均单元尺寸为1mm。整个模型的单元数为419388，节点数为742135。整体有限元模型如图2所示，骨架与后固定盘的有限元模型分别如图3与图4所示。弹箱与航炮均采用集中质量模拟，弹箱固定在后盘上，航炮与骨架及后固定座连接，整体有限元模型如图2所示。

3材料参数

骨架与后固定盘采用的材料为ZL205A，后固定座采用的材料为0Cr17Ni4Cu4Nb，材料的力学性能如表1所示。

4约束与载荷

4.1约束

后固定盘与骨架、后固定座与骨架之间均利用多点约束（RBE2）模拟螺栓连接；弹箱与航炮均采用集中质量进行模拟，分别为90kg和53kg，如图2中红色单元所示，二者的重心位置如图5所示。利用多点约束（RBE3）将弹箱连接在后固定盘底面上，同理将航炮连接在骨架前端面以及后固定座四个滑槽面上。根据航炮吊舱实际工作情况，对骨架顶部2个圆柱孔内圆柱面施加固定约束，限制三个平动位移为零，如图2所示。

4.2载荷

根据GJB150.18冲击试验的要求，载机着陆时，整个结构承受垂直向下（X轴负向，如图2中主坐标系）幅值为15g（g为重力加速度）、作用时间为11ms、变化形式为半正弦波冲击脉冲，函数为F(t)=15g×sin(ωt)，ω[5]=2π/T=2π/0.022=285.6。使用加速度进行加载，幅值为15×9.8=147×103(mm/s2)，加速度曲线如图6所示。

利用多点约束（RBE2），在骨架两个圆柱孔中心建立刚性单元，将飞机传递的加速度冲击施加在多点约束中心节点上；骨架承受飞架施加在吊耳孔附近的向心预紧力共四处，大小为3920N×4，向心预紧力施加参考图2中柱坐标系。