飞机平板鸟撞试验件参数影响研究

[摘要]：本文利用pam-crash软件，通过对4lb鸟撞击平板进行对比分析，对试验件参数影响进行研究。确定了试验件参数（如试验区大小、夹持方式）的选取原则。根据试验件参数选取原则建立了试验件分析模型，对鸟体撞击角度为90°和25°两种构型进行了分析，确定了每种构型3类试验件的厚度及对应撞击速度，用以后续全面验证分析模型。

[关键词]：鸟撞 试验件 撞击速度 PAM-CRASH

飞机在遭受鸟撞后其是否能够安全返航是其是否安全的一个重要标准，在适航规范中有明确的规定[1]。因此，研究飞机的鸟撞是目前国内外的一个重要课题。在国内，孔令勇、朱书华、刘军等人[2～4]在典型飞机结构方面进行过一些研究，刘军、李玉龙[5]等人在鸟体本构关系方面做过一些深入研究， 李娜[6]研究了复合材料单元尺寸对鸟撞分析的影响，在铝合金试验件参数研究上工作比较少。又因为飞机是一个复杂的结构，涉及到多种金属材料，鸟撞影响区也各有特点。直接研究这么复杂的整体结构的鸟撞就会有很多因素耦合在一起，使得很难从众多因素中辨别各自的影响系数。因此，研究简板结构的鸟撞试验，可以从众多因素中，首先剥离出铝合金这种材料本身的抗鸟撞能力，并验证其分析模型。本文就针对铝合金材料的抗鸟撞能力试验，对铝合金试验件参数进行了对比分析。

1、 有限元模型

从图1两个方向的视图中可以看到平板的结构模型、鸟体模型及边界固支情况。其中试验用的平板大小为800mm×800mm，其中试验区位600mm×600mm，单元尺寸为10mm，共用6400个shell单元模拟。后面的夹具厚度为30mm，宽度为100mm，采用的是solid单元，共有6400个单元。鸟体模型质量为4lb即3.6kg，共有4320个SPH单元【】。平板和夹具之间的连接采用不带失效的tied单元来模拟，将这些tied部分的单元约束（约束6个方向的自由度）作为整个模型的边界条件。整个模型的载荷为鸟体的速度。板的材料为2524-T3材料，其失效应变为0.15。

2、 固支螺栓个数对鸟撞的影响

螺栓连接对鸟撞的影响采用的是800mm×800mm（试验区为600mm×600mm）的平板来分析的。平板厚度为4mm，撞击角度为90度即垂直板平面撞击，撞击速度为150m/s，边界条件为螺栓（tied单元模拟）处固支。图2～图6给出了不同螺栓间距情况下平板鸟撞的分析结果。从中可以看出，当螺栓个数为4个时，板的最大塑性变形为0.132，且最大变形发生在螺栓处；当螺栓个数为6个时，最大塑性发生在板中心，变形为量0.085；当螺栓个数为8个时，最大塑性变形发生在板中心，变形量为0.076；当螺栓个数为12和16时，最大塑性变形发生在板中心，变形量为0.77，且螺栓个数为8、12和16时，关心的板中心的塑性变形区域大小和量值也都极为相似。又0.76和0.77的塑性变形量差异很小（约为1.3%），因此可以认为对于800mm×800mm的板来讲，当螺栓个数大于等于8（即螺栓间距小于等于100mm）时，螺栓个数不再影响鸟撞后板的响应。

基于以上分析，后面所有分析都是基于螺栓间距为100mm来建模和分析的。

3、 试验件试验区大小选择分析

在确定了螺栓间距后，针对试验区的尺寸选择进行了分析，共选取了两种工况。两种工况下板的厚度都为6mm，螺栓间距都为100mm，只有试验区大小不同，一个为600mm×600mm，另一个为500mm×500mm。图7和图8分别给出了两种工况下，鸟撞后板的塑性变形情况。从中可以看出两种情况下，板中心的最大塑性变形都为0.01，且较为关心的板的中心区域的变形情况也极为相似。因此从节约成本上来讲，可以选择试验区为500mm×500mm的板来进行试验。

4、 90°垂直撞击和25°撞击角下的试验件设计

根据选定的螺栓间距和试验区大小，对两种撞击角度的试验件进行了设计。一种撞击角度为90°，即垂直板平面撞击，一种撞击角度为25°。两种角度的建模情况见图9和图10。

图11给出了模型的动能、内能以及总能量的变化曲线，从中可以看出，总能量基本保持不变，随着撞击模型的动能在降低，内能在增加，即鸟体的动能转化为了板的内能及动能，从能量曲线上可以看出计算模型的合理性。

4.1 试验件设计（90°撞击时）

因为要验证鸟体和板的分析参数，需要对试验件的厚度进行设计，尽量设计出三种状态下的试验结果，一种为板临界破坏，一种为板产生一定的塑性变形但不破坏，一种为板始终处于弹性变形。这三种状态代表了鸟撞后的所有可能出现的典型结果，也就能够全面的验证分析模型。通过反复试算，找到了能够实现这三种损伤状态的三种厚度。

图12给出了厚度为2mm，速度为150m/s时的计算分析情况，从图中可以看出，板几乎是中心临界穿透。

图13给出了厚度为4mm速度为150m/s时的计算分析情况。从中可以看出板的中心产生了塑性变形，最大塑性变形为0.028。

图14给出了厚度为10mm速度为150m/s时的计算分析情况。从中可以看出板的最大变形为-0.015，变形在边缘，板的内部大部分塑性变形在0.003以内，比较接近弹性变形。

4.2试验件设计（25°撞击时）

25°撞击同90°撞击，也尽量设计板的厚度使得其出现4.1节所述的三种典型变形和损伤状态。通过反复试算，找到了能够实现这三种损伤状态的三种典型厚度和速度。

图15给出了厚度为1.4mm，速度为180m/s时的计算分析情况，从中给出了板的损伤情况，板被穿透。

图16给出了厚度为1.6mm速度为150m/s时的计算分析情况。从中可以看出板的中心产生了塑性变形，最大塑性变形为-0.107。

图17给出了厚度为6mm速度为150m/s时的计算分析情况。从中可以看出板的最大变形为-0.008，变形在边缘，板的内部大部分塑性变形在0.00227以内，比较接近弹性变形。

4.3试验件构型选取

通过4.1和4.2节的分析可以确定试验件的构型，对应每种撞击角度，分别选取三种典型构型状态，具体构型状态见表1所示。

5、结论

通过以上分析和讨论，可以得出以下结论：

1） 平板鸟撞试验件与夹具固支时螺栓间距应该小于等于100mm。

2） 平板试验件试验区的大小可以取500mm×500mm。

3） 利用确定的试验件参数，针对鸟体撞击角度为90°和25°两种构型确定了每种构型3类试验件的厚度及对应撞击速度。此类试验件的试验可以用于全面验证分析模型。

参考文献

[1]中国民用航空规章第25部. 运输类飞机适航标准[CCAR-25R4]，2009

[2] 刘军，李玉龙，郭伟国等. 鸟撞45#钢平板动响应试验研究[J].振动与冲击，？2013，32（4）：？15-20

[3] 孔令勇，宋春艳，李娜. 基于SPH方法某飞机典型结构鸟撞分析研究[J].振动工程学报增刊，2012，25：97：100

[4] 朱书华，童明波，王跃全.某型飞机风挡鸟撞试验与数值模拟[J].应用力学学报，2009，26（3）：444～449

[5] 刘军，李玉龙，石霄鹏等. 鸟体本构模型参数反演Ⅰ：鸟撞平板试验研究[J]. 航空学报， 2011， 32（5）： 802-811.

[6]李娜，孔令勇，于锋礼. 单元尺寸对复合材料层压板蒙皮鸟撞模拟的影响分析[J].科学技术与工程，2013，15： 4459-4462