直升機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件耐撞性設(shè)計(jì)

直升機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件耐撞性設(shè)計(jì)

摘要:本文主要介紹了應(yīng)用于模擬飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的碰撞響應(yīng)和吸能過(guò)程的開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證方法。首先進(jìn)行了典型元件的仿真方法測(cè)試,而后推廣應(yīng)用到組合件中。并通過(guò)含有吸能地板的直升機(jī)機(jī)身承力框架完成最終的整體驗(yàn)證。按比例精確縮放的結(jié)構(gòu)件被用于準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)試,基于PAM-CRASH開(kāi)發(fā)的仿真模型能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)變形,并且與靜態(tài)加載破壞和能量吸收的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。而且其復(fù)合材料框架件動(dòng)態(tài)響應(yīng)的預(yù)測(cè)能力帶給了研發(fā)人員信心:數(shù)值仿真能被應(yīng)用于下一代直升機(jī)防撞結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),可以采用“虛擬”碰撞測(cè)試結(jié)果來(lái)設(shè)計(jì)更輕、更牢固、更安全的直升機(jī)。

關(guān)鍵字:復(fù)合材料;耐撞性;吸能結(jié)構(gòu);Pam-Crash

1 引言

由于在機(jī)身和其他結(jié)構(gòu)件中越來(lái)越多的采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu),所以先進(jìn)復(fù)合材料的耐撞性已經(jīng)在航空工業(yè)界引起了廣泛的關(guān)注。設(shè)計(jì)優(yōu)異的復(fù)材結(jié)構(gòu)件能夠按照預(yù)想并可控地吸收碰撞載荷。通過(guò)設(shè)計(jì)纖維類型、基體類型、纖維-基體界面、纖維鋪層順序以及纖維方向,復(fù)材防撞結(jié)構(gòu)件可以表現(xiàn)出優(yōu)良的吸能特性[1-3]。現(xiàn)在在地板結(jié)構(gòu)中裝備了輕量化復(fù)材吸能的新一代軍用直升機(jī)能夠滿足耐撞撞性的要求。

傳統(tǒng)的耐撞性復(fù)材結(jié)構(gòu)件是憑半經(jīng)驗(yàn)的方法來(lái)設(shè)計(jì)的,它嚴(yán)重依賴于龐大的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)。要為下一代直升機(jī)設(shè)計(jì)出更好的耐撞撞性能,需要對(duì)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行優(yōu)化。現(xiàn)在顯式有限元軟件已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車和其他地面交通工具的防撞設(shè)計(jì)。同時(shí),隨著計(jì)算機(jī)硬件的持續(xù)升級(jí),大型、復(fù)雜碰撞問(wèn)題也能夠在可接受的時(shí)間內(nèi)完成計(jì)算分析。

要預(yù)測(cè)復(fù)材結(jié)構(gòu)件的壓潰性能,物理觀測(cè)到的復(fù)雜失效模式和相關(guān)的能量吸收特性需要被精確地模擬。一種采用層疊或堆疊殼單元的方法被用于模擬吸能結(jié)構(gòu),并得到了很好的驗(yàn)證[2-8]。堆疊殼單元方法能夠預(yù)測(cè)單元地張開(kāi)或散開(kāi),與復(fù)材吸能結(jié)構(gòu)的碰撞實(shí)驗(yàn)結(jié)果近似。目前研究成果的局限是用這種堆疊單元方法仿真的結(jié)構(gòu)件的種類有限。

本文主要介紹了澳大利亞先進(jìn)復(fù)材中心(以下簡(jiǎn)稱CRC-ACS)和德國(guó)航空中心(以下簡(jiǎn)稱DLR)的聯(lián)合研究成果。該項(xiàng)目的目的是開(kāi)發(fā)直升機(jī)耐撞結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)方法和創(chuàng)新型設(shè)計(jì),并與實(shí)驗(yàn)比較驗(yàn)證[9]。為了把實(shí)驗(yàn)從材料性能測(cè)試拓展到大尺度碰撞測(cè)試,采用了積木法實(shí)現(xiàn)[9]。描述了用于大尺度碰撞測(cè)試的實(shí)驗(yàn)方法和采用顯式有限元軟件PAM-CRASH的仿真模型來(lái)預(yù)測(cè)驗(yàn)證碰撞行為和吸能特性的方法。

2 復(fù)材吸能結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)

復(fù)材結(jié)構(gòu)件用過(guò)不同的斷裂形式被設(shè)計(jì)用來(lái)在碰撞過(guò)程中吸能。然而不合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可能導(dǎo)致在結(jié)構(gòu)脆性整體屈曲情況下不吸收或吸收很少的能量,從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。這種突然的災(zāi)難性的結(jié)構(gòu)失效,會(huì)對(duì)乘員造成巨大傷害,甚至更糟的是座艙發(fā)生破壞。

要避免這種脆性整體屈曲,可通過(guò)把優(yōu)秀的觸發(fā)器設(shè)計(jì)整合到承載結(jié)構(gòu)而實(shí)現(xiàn)。不同的結(jié)構(gòu)選擇不同的觸發(fā)器設(shè)置,由于總量限制,直升機(jī)沒(méi)有單獨(dú)直立式耐撞性結(jié)構(gòu),取而代之的是吸能元件,被安裝到承載結(jié)構(gòu)中。如圖 1所示,偏置層疊型觸發(fā)器是最容易整合到結(jié)構(gòu)中的,而且能夠承受所需載荷。因此,這種觸發(fā)器經(jīng)常應(yīng)用到地板梁和框架結(jié)構(gòu)。圖2是這個(gè)帶有這種觸發(fā)器的波紋梁案例。

圖 1各種不同的觸發(fā)器的裝置,從左到右是單斜面、雙斜面、鋸齒型、尖頂型、層疊型、偏置層疊型[4]

圖 2帶有偏置層疊觸發(fā)器的波紋梁[11]

3 測(cè)試程序

3.1 總覽

本文編制了一套基于積木法的實(shí)驗(yàn)和仿真程序,它包括分析評(píng)估復(fù)材結(jié)構(gòu)的耐撞撞性和通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證數(shù)值仿真設(shè)計(jì)方法。如圖3所示,金字塔的寬度和測(cè)試樣件數(shù)量相關(guān),高度與結(jié)構(gòu)復(fù)雜度相關(guān)。更低等級(jí)的實(shí)驗(yàn)得到的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和許用值,且保證了由于更高等級(jí)的實(shí)驗(yàn)會(huì)更復(fù)雜,所以需要深入分析各個(gè)結(jié)構(gòu)件的失效的可行性。

圖 3積木法示意圖[9]

在仿真前,進(jìn)行了前期樣件實(shí)驗(yàn),獲得材料參數(shù)應(yīng)用到材料模型中。元件級(jí)的實(shí)驗(yàn)用來(lái)評(píng)估不同設(shè)計(jì)參數(shù)的碰撞響應(yīng),包括厚度、鋪層、加載速率和幾何參數(shù)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用于開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證本文提到的有限元模型[1-5,9-11]。

組合件級(jí)的實(shí)驗(yàn)用來(lái)評(píng)估元組合件的性能,包括結(jié)構(gòu)的相互作用和連接特性。其實(shí)組合件樣本是一個(gè)大型部件(LTA)典型吸能件的部分試樣。組合件級(jí)實(shí)驗(yàn)通過(guò)1套開(kāi)發(fā)的測(cè)試程序保證了每次都能穩(wěn)定地吸收規(guī)定的能量,從而驗(yàn)證結(jié)構(gòu)裝置和觸發(fā)器的設(shè)計(jì)。最后的構(gòu)造是由1塊帶層疊觸發(fā)器的波紋腹板,兩個(gè)C型端面之間是三明治層合腹板組成。C型端面的法蘭邊是兩塊比腹板更厚的鋪板,腹板和法蘭之間的過(guò)渡段是最脆弱的部位,它可以充當(dāng)一個(gè)觸發(fā)器。這樣的機(jī)構(gòu)用來(lái)設(shè)計(jì)LTA的吸能段。

3.2 全尺寸大部件實(shí)驗(yàn)

LTA是某型直升機(jī)大下半部分框架。它主要有3部分構(gòu)成:

—半剛性上支架(逃生空間)

—吸能地板

—蒙皮

LTA全尺寸是其全尺寸是高450mm x寬700 mm x 深200 mm。。完整結(jié)構(gòu)如圖4所示,吸能段的照片在裝配之前就拍好(圖4的右邊圖片)。照片顯示了兩個(gè)C型腹板之間的細(xì)節(jié)。LTA的瓦楞夾芯板是碳纖維環(huán)氧預(yù)浸料織物,加上其他組合件粘合在一起的。蒙皮通過(guò)緊固并綁定在吸能段和上半框架。

圖 4 LTA和吸能段截面照片

本文一共制造了3個(gè)LTA,實(shí)驗(yàn)條件和結(jié)果如表1所示。準(zhǔn)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)的目的是評(píng)估壓潰載荷和吸能性能。動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)表明吸能部件吸收的能量從總能量的50%提高到80%。動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)的沖擊速度為8.0m/s,和DEF STAN[12]、MIL-STD-1290A[13]的一致。

表 1 LTA測(cè)試結(jié)果

4 PAM-CRASH的復(fù)材建模

纖維復(fù)合材料的全局鋪層材料模型已和PAM-CRASH的顯示求解器兼容,用戶可以把每層設(shè)定成均勻各向異性的彈塑性損傷材料。單元應(yīng)變?cè)谝欢ǚ秶鷥?nèi),不會(huì)造成破壞。達(dá)到應(yīng)變閾值后,力學(xué)性能退化,由幾個(gè)破壞演變方程控制(縱向、橫向和剪切)。力學(xué)性能的退化和物理失效模式有關(guān),包括纖維斷裂、擠壓失效(褶皺帶)、以及基體微觀組織破壞。

4.1 堆疊殼單元建模方法

典型復(fù)材吸能結(jié)構(gòu)在漸進(jìn)擠壓時(shí)會(huì)隨張開(kāi)模式(花瓣型)變化。數(shù)值方法必須通過(guò)合理的物理失效模式模擬這一現(xiàn)象。堆疊殼單元模型能預(yù)測(cè)通過(guò)層間界面失效模型使單元的層堆疊在一起,從而表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)的張開(kāi)形式。堆疊殼單元模型能預(yù)測(cè)不同厚度和幾何的復(fù)材結(jié)構(gòu)件的失效和吸能[4][6]。

堆疊殼單元模型把1個(gè)物理模型離散成2層或更多層殼單元,層間是粘合單元(或者是粘性接觸)。單元間的接觸通過(guò)恰當(dāng)?shù)慕佑|算法實(shí)現(xiàn)。這種建模方式也可應(yīng)用于復(fù)材全局鋪層模型(材料類型編號(hào)7),其能表征了鋪層的力學(xué)特性。

把層合板離散成多少層殼單元取決于模型將受到的載荷。比如,如果層合板受在厚度方向受到低速?zèng)_擊,層合板將被離散成能在兩個(gè)不同鋪層方向的層間添加粘合單元的結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)閮蓚€(gè)鋪層不同的力學(xué)特性引起的應(yīng)力集中將導(dǎo)致分層。當(dāng)使用堆疊殼單元方法來(lái)模擬擠壓失效,過(guò)程的離散進(jìn)行了一定地簡(jiǎn)化。鋪層的方向變得不是很重要,并且模型離散成數(shù)量合理的殼單元層,且層間間距相等。LTA模型采用了3層殼單元來(lái)模擬波紋板,并在擠壓時(shí)反映吸能特性。本文用了單層殼單元來(lái)模擬波紋板兩端的C型板,設(shè)計(jì)時(shí)要保證它們不會(huì)擠壓變形。

4.2 模型驗(yàn)證

材料模型和建模方法在實(shí)驗(yàn)中每一個(gè)階段都得到了驗(yàn)證。本文應(yīng)用了積木法來(lái)驗(yàn)證數(shù)值模型和各階段模型。方法如圖5所示。通過(guò)樣件試驗(yàn)對(duì)材料常數(shù)和全局材料模型的破壞參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)。碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂周期性剪切響應(yīng)的仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)比如圖6所示。復(fù)合材料全局材料模型能描述環(huán)氧基體存在微觀缺陷時(shí)不可逆的塑性變化。當(dāng)卸載時(shí),數(shù)值剪切應(yīng)變不會(huì)恢復(fù)到0,而且模型保留的殘余應(yīng)變與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值一致。PAM-CRASH粘合斷裂界面模型材料常數(shù)通過(guò)斷裂實(shí)驗(yàn)獲得,而且通過(guò)了仿真的驗(yàn)證。

圖 5 驗(yàn)證仿真的積木法

圖 6材料模型的驗(yàn)證(周期性剪切響應(yīng))

當(dāng)復(fù)材全局材料模型和粘合失效模型被驗(yàn)證后,元件級(jí)結(jié)構(gòu)的碰撞響應(yīng)就能得到預(yù)測(cè)。元件級(jí)模型包括多層殼單元、接觸定義、剛體墻、摩擦條件、邊界條件和單元消除準(zhǔn)則。作者進(jìn)行了參數(shù)化研究來(lái)確認(rèn)一套穩(wěn)健的模型參數(shù),來(lái)保證預(yù)測(cè)失效模式、擠壓載荷以及不同幾何和厚度的結(jié)構(gòu)吸能特性。圖7展示了1個(gè)不同厚度的帽型元件擠壓實(shí)驗(yàn)與仿真的對(duì)比結(jié)果。當(dāng)采用1套合適的材料常數(shù)的時(shí)候,仿真能預(yù)測(cè)一定厚度范圍內(nèi)的樣件的準(zhǔn)靜態(tài)擠壓加載過(guò)程。對(duì)不同幾何模型的類似仿真表明了,這種建模方法能夠精確預(yù)測(cè)碰撞時(shí)結(jié)構(gòu)的吸能響應(yīng)。

圖 7殼單元堆疊模型方法的驗(yàn)證(元件級(jí)樣本)[4]

4.3 顯示有限元LTA模型的評(píng)估

圖8給出了實(shí)驗(yàn)照片和數(shù)值模型的對(duì)比?；疑^顯示了沖擊臺(tái)的測(cè)試點(diǎn)標(biāo)記,它包括3組載荷單元(左、中、右)。最外鋪層的局部坐標(biāo)在應(yīng)變片上標(biāo)記了方向。

數(shù)值模型的結(jié)構(gòu)和邊界條件與實(shí)驗(yàn)一致。重力加速度設(shè)為9.81m/s2,結(jié)構(gòu)初始速度設(shè)為8.05 m/s。

圖 8實(shí)驗(yàn)臺(tái)照片和數(shù)值模型的對(duì)比

圖8的有限元模型能更好地表現(xiàn)碰撞過(guò)程中轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的傳遞。一開(kāi)始如前述[9],創(chuàng)建了一半的LTA模型,設(shè)定了對(duì)稱邊界條件。第1次求解沒(méi)有考慮工字梁和兩根滑軌,這些結(jié)構(gòu)的質(zhì)量直接加到LTA框架的重心上。

為更精確地反應(yīng)系統(tǒng)的質(zhì)量分布、重心和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,在修正的模型里加入了工字梁和兩個(gè)滑軌。工字梁(黃色)和滑軌綁定,即用1D連接單元(PLINK,黑色)。8跟金屬支架(亮藍(lán)色)用于把框架和工字梁連接,仿真中同樣是用PLINK單元。對(duì)稱模型通過(guò)映射可以得到全尺寸有限元模型。對(duì)LTA模型做了幾次不同的鏡面映射,來(lái)詳細(xì)分析數(shù)值失效模式和通過(guò)高速攝像得到的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)視頻。

-質(zhì)量加到機(jī)頂滑軌,來(lái)反映實(shí)驗(yàn)布置的正確。(工字梁增加的彎曲剛度和2根滑軌對(duì)于降低碰撞中工字梁的任何大的彎曲變形是有效的)。

-對(duì)C型段和蒙皮間的鉚釘劃分了網(wǎng)格,并作為剛體設(shè)置。如圖9所示,C型段和蒙皮間固定在軟件里設(shè)為PLINK連接。這些尾部的鉚釘在仿真中之所以得以保留,是因?yàn)樗鼈冏柚沽瞬y板在碰撞中向外破碎張開(kāi)和保持材料失效。表征這一現(xiàn)象是非常重要的,因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)中可以觀測(cè)到,波紋板的遏制作用對(duì)于整體碰撞表現(xiàn)是非常關(guān)鍵的。

—沖擊臺(tái)被分成3段,這樣接觸力也分為左、中、右3段。這些接觸力可以直接與實(shí)驗(yàn)測(cè)量的傳感數(shù)據(jù)比對(duì)。

—與實(shí)驗(yàn)條件對(duì)應(yīng),仿真還考慮了輕微離軸載荷條件(DY1偏0.11度、DY2偏0.27度)。

圖 9鉚釘接頭細(xì)節(jié)

把這些細(xì)節(jié)加入到建模當(dāng)中可以更加精確的模擬實(shí)驗(yàn)沖擊條件,并且可以對(duì)仿真和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行更精確的比較。

5 LTA全尺度模型:有限元預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

有限元模型的漸進(jìn)失效通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得以驗(yàn)證。模型的精確度得以定性和定量地評(píng)估。預(yù)測(cè)到的載荷-位移響應(yīng)、失效行為、以及應(yīng)變響應(yīng)都進(jìn)行了對(duì)比。總體而言,仿真和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合地非常好。

5.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖10給出了動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)(DY1)中載荷-位移響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)與仿真對(duì)比;應(yīng)注意數(shù)值結(jié)果沒(méi)有進(jìn)行降噪處理。

圖 10載荷-位移響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)與仿真對(duì)比(左、中、右應(yīng)變片)

三張圖片分別對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)左(FM-L)、中(FM-M)、右(FM-R)應(yīng)變片測(cè)到的數(shù)據(jù)?？傮w上,仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值是吻合的。三段的靜態(tài)沖擊載荷都預(yù)測(cè)得很準(zhǔn)確。吸能之后,仿真結(jié)果比實(shí)驗(yàn)值的變形距離更短一些,這是由于碰撞初始階段的載荷峰值更高(0.0-5.0mm位移階段)引起的。

圖11給出了DY1工況實(shí)驗(yàn)與仿真對(duì)比,包括力-位移曲線和能量-位移曲線。合力是左、中、右三部分力之總和。結(jié)果表明有限元邊界條件與實(shí)驗(yàn)條件非常接近。兩組動(dòng)態(tài)工況實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真分析的對(duì)比如表2所示,表明了仿真能夠精確預(yù)測(cè)靜態(tài)沖擊載荷和吸能過(guò)程,但對(duì)峰值載荷的仿真計(jì)算偏高,這是因?yàn)椴y管受到擠壓剛好就是C型段局部翹曲的初始條件。在復(fù)雜結(jié)構(gòu)相互作用時(shí)精確地預(yù)測(cè)失效順序和材料如何失效,仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

圖 11實(shí)驗(yàn)與仿真對(duì)比(DY1工況)

表 2 實(shí)驗(yàn)與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比

5.2.1 全局失效對(duì)比

圖12給出了LTA實(shí)驗(yàn)和修正數(shù)值模型的結(jié)構(gòu)碰撞變形按時(shí)間順序的圖片?？梢杂^察到,吸能地板逐漸破碎。隨著碰撞過(guò)程繼續(xù),蒙皮部分也向外翹曲。LTA部件的結(jié)構(gòu)失效僅限于這些部分,這樣保證了乘員的逃生。整個(gè)失效過(guò)程在軟件中被成功地仿真模擬,如圖13所示。

圖 12 DY1工況失效過(guò)程的仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比

圖 13 DY1工況失效模型的對(duì)比,上面是仿真、下面是HRCT掃描圖片

5.2.2 與HRCT掃描圖片對(duì)比

通過(guò)把高分辨率計(jì)算體層成像(HRCT)掃描圖片并與仿真對(duì)比,對(duì)LTA部件失效機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)分析。HRCT使用的是一臺(tái)nanotom®設(shè)備,分辨率達(dá)到70微米。對(duì)LTA整體掃描的總時(shí)間為3小時(shí)。HRCT掃描使得內(nèi)部失效機(jī)理能夠無(wú)損地可視化。復(fù)材層合板,連同鉚接點(diǎn)、粘合點(diǎn)都可以在掃描圖片中進(jìn)行研究。

DY1工況吸能段失效行為的對(duì)比如圖13所示。圖片上的有限元模型在吸能段下半部分35mm位置發(fā)生破壞,其單元嚴(yán)重破壞。有限元模型能夠模擬碰撞前端的破壞過(guò)程。吸能段剩余部分的破壞不大而且粘合面也沒(méi)有發(fā)生失效。失效模式和破壞擴(kuò)展過(guò)程的仿真結(jié)果與HRCT掃描圖片非常吻合。應(yīng)當(dāng)指出,HRCT掃描在實(shí)驗(yàn)后進(jìn)行,結(jié)構(gòu)質(zhì)量已經(jīng)從LTA上移除了。LTA的有限元模型也恢復(fù)到平衡位置,以便與掃描進(jìn)行對(duì)比。

5.3 應(yīng)變對(duì)比

LTA上布置了一些單應(yīng)變片,來(lái)確定加載路徑,以及監(jiān)測(cè)在水平和垂直位置上任何可能的彎曲變形或者嚴(yán)重程度。應(yīng)變片只位于框架的上半部分。圖14給出了,波紋板上半部分框架里6個(gè)應(yīng)變片的實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果。這些應(yīng)變片的位置如圖15所示。

圖 14 DY1工況應(yīng)變實(shí)驗(yàn)值與仿真的對(duì)比

圖 15 LTA上應(yīng)變片的位置

根據(jù)應(yīng)變片A1和B1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),上支架下部端面首先出現(xiàn)X向的正彎曲,然后在位移超過(guò)12.5mm后出現(xiàn)負(fù)彎曲。LTA部件在碰撞實(shí)驗(yàn)中在沖擊平臺(tái)上出現(xiàn)了滑移。除了這個(gè)“滑移”現(xiàn)象,仿真還能分析出和實(shí)驗(yàn)應(yīng)變-位移曲線一致的其他特性(峰值和穩(wěn)態(tài)特性),另外還有從C1、D1應(yīng)變片實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能得出的沖擊偏移影響。

6 結(jié)論

針對(duì)復(fù)材結(jié)構(gòu)耐撞性的數(shù)值設(shè)計(jì)方法已經(jīng)通過(guò)對(duì)某型號(hào)直升機(jī)帶有吸能地板的機(jī)身框架進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得到驗(yàn)證。通過(guò)PAM-CRASH軟件的有限元建模仿真,再現(xiàn)了“積木法”實(shí)驗(yàn),這些實(shí)驗(yàn)逐步增加結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,而建模方法也得到驗(yàn)證。得到驗(yàn)證的有限元方法隨即用于大型測(cè)試部件的設(shè)計(jì),并預(yù)測(cè)響應(yīng)和吸能的特性和表現(xiàn)。

實(shí)驗(yàn)分為準(zhǔn)靜態(tài)、和兩個(gè)不同能級(jí)的動(dòng)態(tài)分析。軟件能預(yù)測(cè)失效模式、載荷-位移曲線、能量-位移曲線,以及應(yīng)變值等。仿真和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的高度一致證明了,仿真方法能在未來(lái)耐撞性結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)中扮演重要的角色。有限元軟件能有效地預(yù)測(cè)復(fù)材結(jié)構(gòu)件的耐撞撞性能、最大程度地優(yōu)化乘員的安全性。虛擬碰撞實(shí)驗(yàn)可以作為真實(shí)碰撞實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充,從而對(duì)碰撞場(chǎng)景做更廣泛的研究。