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基于动力学仿真的气球鼻锥有限元分析

发布于:2016-02-21 19:51
有限元分析

      锥是系留气球球体分系统的一个重要结构部件,其主要作用有两方面:一是在系留气球处于地面锚泊状态时,将其固定约束在系留塔上,二是在气球处于空中停留状态时,减少风速过高对艇首蒙皮的影响具体来说,当气球在空中停留时,鼻锥将艇首所受的气动载荷均匀地传递给主气囊,维持气球头部良好的气动外形,而对于在地面系留时产生的载荷,头锥通过锥体以弯曲、拉压等形式传递给主气囊,锥体在总体上可以起承受弯曲、剪切和拉压的作用,主气囊所受的气动载荷则通过锥体以集中力的形式传递给系留塔,并与系留塔产生的支反力相平衡。
      早期设计的系留气球、飞艇等浮空器的鼻锥结构,通常有以下两种类型:
      1)大型鼻锥:这种结构与艇首蒙皮的连接采用长曲线形、沿艇体方向向后延伸的硬式桁架结构,因此质量较大,而且造价较高,所以一般仅在大型系留气球上采用。
      2)小型鼻锥:这种结构去除了沿艇体方向的硬式桁架,减轻了质量,但强度也有所下降,一般适用于小型系留气球。此不难想象即便没有其它载荷,艇囊也将发生向外的整体膨胀变形。而在这里,作用有压差的同时,还增加了作用在鼻锥顶部的集中力,在这两种载荷的联合作用下,艇囊蒙皮无疑将发生更为复杂的变形,尤其是在艇囊和鼻锥拉索的连接处以及艇首与圆座圈的绑扎处,都将发生局部的变形。这里给出整体变形云图如图所示,连接处的局部变形云图如图所示。最大变形为31.3mm,发生在艇首前端连接处。
      3)鼻锥的模态与应力分布单独对鼻锥结构进行有限元分析-模态分析可得,其前十阶固有频率如下表所示,从中可以看出,其低阶频率都高于100Hz,因此不必担心其与系留气球整体发生共振。同时,由于此时鼻锥结构主要承受固定连接时所产生的集中载荷,因此需要注意其受力大小及应力分布情况。从下图中可以看到结构具体的应力分布,其最大应力发生在锥顶,大小为24.7MPa。
      从艇首蒙皮的变形结果可以看出,其最大变形位置发生在蒙皮与鼻锥的连接处,这与实际情况是相符合的。变形的大小也在合理范围之内,不会对艇囊造成破坏。同样,从鼻锥结构的应力云图中也不难发现,不论是铝合金部分还是涤纶拉索,其最大应力都在许用应力范围内,因此不会对结构造成损坏。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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