“空投用缓冲装置”的效果量化评估
14页1、题目 “空投用缓冲装置”的效果量化评估一系二队 张海灯 张华磊 张东豪摘要:文章通过分析采用伞降空投用缓冲装置的设计原理、及实现方法,计算出了问题中所给出的空投用缓冲装置空投物资所受的冲击力,并分析对比了采用和不采用缓冲装置两种情况下冲击力的变化,给出了地锚长度和直径的量化设计标准,而后分析了多锚的缓冲和防侧翻效果。针对问题一,当空投物资接触地面时,缓冲板起第一级缓冲,其中的蜂窝板结构吸收物资的部分动能,将其转化为其他形式的能量,从而达到了降低物资与地面冲击的速度,起到了缓冲作用。对于缓冲板,缓冲系数记为 C,动态应力记为 ,单位面积吸收能量记为 E,则有: 。由能量关系得: , 即为缓冲过程中ECkEk物资动能的变化。缓冲气囊作为第二级缓冲装置,其缓冲效果更加明显。在气囊缓冲过程中,影响其动态特性的参数有很多,如气囊底面积、压缩行程(气囊高度) 、初始气囊内压、排气孔面积、空投物资质量等。通过分析,本文确定研究气囊缓冲过程中减速过载(用空投设备的最大加速度度量)变化规律。运用相似定理中的量纲分析法最终得出: 1 20023abbS式中, 分别表示加速度,常量系数,相关系数,物资落地速
2、度,排气孔面积。0,i在上述两级缓冲装置作用下,联立二装置的动力学模型即可求解整个缓冲过程。当没有缓冲装置的情况下,参考落石冲击地面模型,即可得出冲击力公式。针对第二个问题,空投时空投物资具有了水平速度,由于风力与地形造成的空投物资底座与地面存在一定夹角,当物资着地时很容易发生侧翻。运用功能原理,建立能量平衡方程,即可给出地锚长度和直径的量化设计标准。针对第三个问题,利用对称性原理,在多地锚情况下,多个地锚的位置设置应该具有对称性。本论文只考虑四个地锚的情况,同时,在此时的缓冲装置中,缓冲过程仍不考虑地锚的作用。在进行侧翻问题分析时,结合问题二,经过对比推算,给出多地锚的防侧翻效果。最后,经过综合评定,给出多地锚装置的优劣性。 一、问题重述近年来,地震洪水雪灾等自然灾害频繁发生,时刻威胁着人类的生命和财产安全。当地震、洪水等自然灾害降临时,由于公路、铁路的断裂塌陷、桥梁的损毁,救援物资短时间内无法通过公路铁路运输,通过飞机伞降空投进行救援成为唯一的选择。然而由于种种原因,在“5,12”地震救援过程中,救灾物资的落地速度仍很大,物资因侧翻和反弹等问题遭到破坏。一般而言,为了保护空投物资安
3、全,需要解决三个方面的问题:1. 减缓其落地时的冲击力;2. 防止落地后的反弹;3. 防止物资落地后发生侧翻;针对第一个问题,拟采用蜂窝纸板和气囊复合缓冲的两级缓冲方法,即将蜂窝纸板作为第一级缓冲,将固定在蜂窝纸板下的缓冲气囊作为第二级缓冲,这样的缓冲作用将会大大加强。针对第二个问题,拟采用安全阀和地锚来解决,及利用物资落地时会挤压气囊,当气囊内的压力达到一定数值后,安全阀会自动排气,这样就减小了物资落地后的反弹力;同时,落地时扎到地里的地锚也将起到防止反弹的作用。针对第三个问题,就是利用地锚插入土地中,从而达到防止侧翻的效果。解决方案已经给出,要使物资平稳快速的送到受灾地,就必须优化参数配置,进而提出以下三个方面的问题:1. 给出“空投用缓冲装置”缓冲效果的量化评估。即对采用和不采用空投用缓冲装置两种情形下缓冲力进行计算和对比。2. 给出“空投用缓冲装置”防侧翻效果的量化评估。即在地锚现有材料和结构下,假定不考虑地锚基座变形和断裂,为了使质量为 M 的空投物资落地后不侧翻,给出地锚的长度和直径的量化设计指标。3. 试给出多地锚的缓冲和防侧翻设计,在与问题一、二相同条件下,分别计算缓冲
4、效果和防侧翻效果,并比较多地锚设计方案与单地锚设计方案的优劣。二、模型假设1.土壤具有一定湿度,其回弹模量为 8Mpa。2.缓冲高度假定即为气囊截面直径。3.壁无弹性(弹性较小忽略不计)、在压缩的过程中不产生伸缩变形。4.排气孔面积设计合理,能达到缓冲要求,充入气囊内气体满足理想气体的假设。5.不考虑阻力及地锚的缓冲作用,系统的缓冲完全由气囊和缓冲板产生。6.物资投放操作按照空投规范和要求进行,地面基本平整,由风力和地形造成的空投物资底座与地面的夹角不超过三十度。7.在深度一米内,与土壤的平均摩擦因数为0.3。8.不考虑地锚基座变形与断裂,即假设地锚的强度与刚度均符合要求。9.分析侧翻问题时设物资不与地面之间发生相对滑动。10.土壤中发生沿轴向的运动时假设约束力为定值。11.锚插入土壤过程中整个装置的运动未受到影响。12.研究翻问题时,假设空投物资为1立方米的正方体均匀摆放在缓冲板上。13.地面冲击时不考虑风力影响。三、模型建立与求解问题一:对有缓冲装置的空投模型的建立。空投缓冲装置着陆时,缓冲板为第一级缓冲。缓冲过程中,缓冲板吸收一部分动能达到降低着陆速度的效果。该过程中有公式:CE
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