45 直升机尾减连接管坠地碰撞失效仿真分析-于仁业(6)

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1、第二十八届（2012）全国直升机年会论文直升机尾减连接管坠地碰撞失效仿真分析于仁业1姜大成2李良操1（1.中航工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司，哈尔滨，150066；2.陆航驻哈尔滨地区军事代表室，哈尔滨，150066）摘要：本文针对一次某型直升机尾桨连接管疲劳试验时断裂现象，运用Dytran软件对复合材料尾减连接管进行了碰撞断裂仿真模拟分析。分析较好的模拟了复合材料尾减连接管落地碰撞后导致局部断裂失效的过程，仿真分析结果（破坏部位、破坏模式、冲击能量）同试验结果基本一致，为查找尾桨连接管意外断裂的原因

2、提供了有力的技术支持。关键词：Dytran;复合材料;碰撞仿真分析;断裂失效;破坏模式1概述尾减连接管是某型机的关键部件，由两个螺栓与涵道尾桨组件相连，用来支撑尾桨组件，主要承受涵道尾桨推力；尾减速器连接管除螺栓连接处套筒材料是铝合金外，其余材料均为碳纤维布和玻璃布；其主承力材料为单向碳纤维预浸料，在两端及中部连接部位装有8个玻璃纤维布预浸料制造的半衬瓦。因在某次疲劳试验中，尾减连接管发生意外断裂，断裂位置（见图1）且断口异常平齐。为了查找到连接管意外断裂的真正原因，有必要首先从技术角度进行仿真分析推断断

3、裂原因，最后采用试验手段进行故障复现。飞机结构所用的复合材料，以碳纤维增强树脂基复合材料为主。在结构部件装配、运输、储存和服役工作阶段不可避免的受到外来物冲击所形成的损伤，往往表现为目视不可检的“内伤”，例如面板局部纤维断裂。实验表明，即使目视不可检的“内伤”也可能使材料或结构的承载能力和寿命显著降低。因此推断尾减连接管在运输过程中意外坠地受到冲击，从而造成尾减连接管目视不可检的“内伤”，但这种坠地碰撞对尾减连接管什么部位造成最严重的损伤呢？损伤程度如何？下面就通过尾减连接管垂直坠地碰撞仿真分析来解答这些

4、疑问。图1断裂部位示意图2坠地碰撞仿真分析2.1尾减连接管仿真模型本文采用MSC.Dytran软件进行尾减连接管坠地碰撞仿真分析。在前处理软件PATRAN中建立尾减速器连接管板单元有限元模型，管壁用壳元CQUAD4，套筒用梁元CBAR。尾减速器连接管与地面之间定义接触关系，地面用刚性墙模拟，以描述相互作用。尾减速器连接管触地瞬间的速度由落地高度计算得出，此速度以初始速度的形式赋给尾减速器连接管模型所有节点。为了使尾减连接管坠地碰撞后受到的损伤可见，直接计算到尾桨管发生断裂。对于描述复合材料失效破坏的强度理

5、论比较多，工程上常用的是Tsai-Wu705理论。工程上使用的复合材料单层板可以看成处于平面应力状态下的正交各向异性板，沿单层板弹性主轴方向的应力称为正轴应力。Tsai-Wu理论认为不论什么应力状态，当铺层正轴向的应力分量满足失效准则时，材料就失效。Tsai-Wu失效准则理论公式如下：式中，Dytran中用MAT8用来模拟正交各向异性多层复合材料，这种材料模型描述脆性复合材料的弹性行为以及各种失效模式破坏应力准则。材料失效的预测及破坏模式采用Tsai-Wu理论，可以提供纤维压缩（失稳）、以及面内剪切等失效

6、模式。数据卡片采用Mat8A。当破坏判据被满足后，进行材料性能退化，定义失效发生后在各个方向上应力增量与应变增量的关系。尾减速器连接管有限元模型长度单位为m，输出应力单位为Pa。2.2仿真计算结果2.2.1不考虑材料损伤分析表明尾减速器连接管在离地7米高度自由坠落后，尾减速器连接管将发生断裂，尾减连接管撞击过程中材料失效指数变化如图2所示。图中初始时刻，尾桨管全部为红色，失效指数为1，即未失效。最后时刻，右端距底部0.105m处一周均为白色，失效指数最小，即在此处尾桨管断裂。图2尾减速器连接管材料失效过程

7、7052.2.2考虑材料损伤考虑尾减速器连接管可能存在制造中的缺陷或存在运输过程存在意外的冲击，造成材料设计许用值降低。因此，假定碳纤维强度设计许用值降低50%，进行坠地碰撞仿真计算。计算后尾减速器连接管在离地2.5米高度自由坠落后，尾减速器连接管将发生断裂，尾减连接管撞击过程中材料失效指数变化如图3所示。图3尾减速器连接管材料失效过程2.3仿真分析结论仿真计算结果统计见表1，通过仿真分析可见，尾减连接管在垂直落地碰撞地面后，材料损伤最严重的部位是撞击端管壁厚度突变的部位，也就是应力集中较严重部位；材料无

8、损伤，落地高度等于或大于7米时，尾减连接管将在撞击端管壁厚度突变的部位处齐根脆断，撞击能量达到99.11J；材料有损伤时，落地高度等于或大于2.5米时，尾减连接管将在撞击端管壁厚度突变的部位处齐根脆断，撞击能量达到35.36J。表1尾减连接管仿真结果统计材料性能破坏部位破坏模式坠地高度(米)撞击能量(焦耳)材料无损伤管端部齐根脆断799.11材料存在50％性能降低管端部齐根脆断2.535.362.5米高度坠落，这在尾桨连接管的