劉 軍，李玉龍 ，郭偉國 ，藏曙光

(1.西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院航空結(jié)構(gòu)工程系，西安 710072;2.中國建筑材料科學(xué)研究院，北京 200125)

鳥撞又稱鳥擊，指鳥或鳥群與飛機(jī)等人造飛行器之間因物理碰撞所造成的事故。高速飛行的飛機(jī)與飛鳥相撞會導(dǎo)致飛機(jī)結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重?fù)p壞，嚴(yán)重的鳥撞事件會導(dǎo)致機(jī)毀人亡的災(zāi)難性事故，特別是現(xiàn)代軍用飛機(jī)如攻擊機(jī)朝低空大速度方向發(fā)展，飛行時發(fā)生鳥撞事件的幾率更大。全世界每年發(fā)生1萬次以上的鳥撞飛機(jī)事件，國際航空聯(lián)合會已把鳥撞危害升級為“A”類航空災(zāi)難。因此鳥撞問題已經(jīng)成為飛機(jī)設(shè)計中必須考慮的重要內(nèi)容之一［1－7］。

鳥撞問題屬于非常復(fù)雜的非線性沖擊動力學(xué)問題，其特點(diǎn)主要表現(xiàn)在:瞬時沖擊載荷、柔性撞擊、大變形、材料非線形。傳統(tǒng)研究鳥撞問題的方法一般采用經(jīng)驗公式法，目前的理論分析手段不足以解決工程中的鳥撞問題，試驗研究和數(shù)值模擬研究是解決此類問題的必要手段。在飛機(jī)結(jié)構(gòu)抗鳥撞設(shè)計中，鳥撞試驗是最終也是最有效的檢驗方法［8－11］，但鳥撞試驗周期長、費(fèi)用高。

隨著計算機(jī)技術(shù)和有限元數(shù)值計算理論的迅速發(fā)展，數(shù)值模擬成為飛機(jī)結(jié)構(gòu)抗鳥撞設(shè)計的有力工具，可在飛機(jī)結(jié)構(gòu)鳥撞試驗前對其進(jìn)行校核－修改設(shè)計－校核，直到其順利通過抗鳥撞試驗校核再進(jìn)行試驗，這樣大大降低了鳥撞試驗費(fèi)用，且縮短了設(shè)計周期。然而，上述飛機(jī)結(jié)構(gòu)抗鳥撞校核是在鳥撞數(shù)值模型正確的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。鳥撞數(shù)值模擬從Wilbeck［12］采用的解耦算法發(fā)展到今天的高效耦合算法，確實取得了很大的發(fā)展，但仍存在一些難以確定的問題，如鳥體的本構(gòu)模型及失效模式與撞擊速度的關(guān)系、鳥體與結(jié)構(gòu)之間的耦合作用、撞擊載荷隨時間的變化規(guī)律等等。這些問題的解決需要以大量的鳥撞簡單結(jié)構(gòu)試驗作為基礎(chǔ)。

本文進(jìn)行了質(zhì)量為1 kg的鳥體以三種速度40 m/s、80 m/s、120 m/s撞擊45#鋼平板的地面模擬試驗，對鳥撞平板過程中平板的動響應(yīng)進(jìn)行了測試，采用高速攝像機(jī)記錄了鳥撞平板全過程，為鳥體本構(gòu)模型的確定及鳥撞數(shù)值計算方法的驗證提供了大量試驗數(shù)據(jù)。

1 試驗方法

鳥撞試驗原理如圖1所示，主要由發(fā)射系統(tǒng)、靶板系統(tǒng)和測量系統(tǒng)組成，發(fā)射系統(tǒng)主要包括氣罐、壓縮室及炮管，氣罐為前端壓力輸送設(shè)備，體積較大，直接接受氣源送來的壓縮氣體，起到穩(wěn)定氣壓的作用;壓縮室為壓力輸送后端設(shè)備，裝有溢流安全閥及壓力表。通過壓力表顯示值以及鳥體測速裝置測量得到的鳥體速度，可以獲得對應(yīng)壓力－速度關(guān)系并作為一種標(biāo)定曲線，提供給實驗技術(shù)人員掌握有關(guān)實驗參數(shù)。在壓縮室形成的高壓氣體是發(fā)射鳥體的動力源，室內(nèi)的氣體壓力決定了鳥體的速度，鳥體及彈托被預(yù)先放在炮管里，待壓縮室內(nèi)氣體壓力達(dá)到預(yù)定值并穩(wěn)定后，開啟壓力閥，高壓氣體突然釋放，推動鳥體在炮管內(nèi)滑行直至離開炮口射向固定在實驗臺架上的試件。實驗技術(shù)人員接通電路開關(guān)，驅(qū)動電磁閥快速打開閥門，在極短的時間內(nèi)產(chǎn)生高壓壓差，推動鳥體穿過炮管射向?qū)嶒灠畜w結(jié)構(gòu)件。

圖1 鳥撞實驗原理示意圖Fig.1 Schematic sketch of bird strike

發(fā)射炮管前端端口有一個由四根彈簧控制運(yùn)動緩沖的擋板裝置，其中心孔直徑略小于炮口直徑，起到鳥體脫殼的作用，如圖2(a)所示。靶板系統(tǒng)裝置如圖2(b)所示，用壓框和底框?qū)⒄叫?5#鋼平板試件夾持并用螺栓連接，之后將底框套置于實驗臺架的四根軸承上，并且底框可在軸承上無摩擦自由滑動，最后將四個力傳感器布置于低框和實驗臺架之間。

圖2 鳥撞平板試驗裝置Fig.2 Experimental rig of bird impact with plate

鳥撞45#鋼平板實驗中，需要采集三種實驗數(shù)據(jù):位移、應(yīng)變和支反力。由于鳥撞過程時間極短，僅為3－4 ms，所以必須通過高速設(shè)備采集實驗數(shù)據(jù)。

位移測量裝置及測量點(diǎn)位置如圖3所示，其中D1、D2、D3點(diǎn)等間距且間距為100 mm，D1點(diǎn)偏離平板中心50mm，其原因是平板中心點(diǎn)所貼應(yīng)變片對位移傳感器激光光束有干擾，從而使測量得到的位移數(shù)據(jù)不真實或不完全，實驗中必須保證夾具框的位移相對于平板位移足夠小，即實驗臺架的剛度及實驗臺架與地面具備良好的連接剛度，必要時可增加位移傳感器以檢測夾具框的位移。位移測量時應(yīng)注意將激光位移傳感器固定在獨(dú)立于實驗臺架的框架上，測量時調(diào)整激光光束并使之垂直打在D1、D2和D3點(diǎn)。

圖3同時給出了應(yīng)變片的粘貼及應(yīng)變測量點(diǎn)位置，共測量平板上等間距分布且間距為70mm的4個點(diǎn)的應(yīng)變，如圖3 中 S1、S2、S3、S4 所示。

支反力傳感器及測量點(diǎn)位置如圖4所示，四個壓力傳感器沿平板中心對稱固定于實驗臺架的四角，測量時使底框與傳感器接觸，測量得到的四個力為鳥體撞擊方向的支反力，不是鳥體與平板之間的撞擊力。

圖3 平板位移及應(yīng)變測量Fig.3 The measurement of displacement and strain on target plate

圖4 撞擊支反力測量Fig.4 The measurement of impact reaction force

試驗時將激光測速儀安放在炮口和被撞平板試件之間，以測量鳥體在撞擊試件前的速度。圖5(a)所示高速攝影儀工作時可拍攝3000幅/秒，試驗前調(diào)整好拍攝角度和畫面亮度，可以完整而清晰的記錄鳥撞試件前的飛行軌跡、撞擊時的姿態(tài)、接觸試件的時間及撞擊后的玻璃的破碎情況。鳥體及彈托如圖5(b)所示，試驗前半小時內(nèi)，將家雞窒息至死或宰殺，秤取重量1.0 kg制作鳥體，用聚乙烯薄膜包裝后放置于鋁制彈托內(nèi)，鳥體形狀近似于圓柱體的幾何外形。

圖5 高速攝像裝置及鳥彈Fig.5 High-speed camera and the bird projectile

2 試驗結(jié)果

采用45#鋼材料加工成660 mm×660 mm×5 mm的平板試件，進(jìn)行質(zhì)量為1.0 kg的鳥體正撞擊平板中心試驗，由于篇幅所限，本文僅給出垂直撞擊試驗結(jié)果，關(guān)于斜撞擊試驗結(jié)果將另文討論。預(yù)定撞擊速度為40 m/s、80 m/s、120 m/s。鳥撞試驗具有很大隨機(jī)性，即使撞擊條件(鳥體速度和質(zhì)量、板厚、板材等)完全相同，試驗結(jié)果也往往存在差異，甚至差異巨大，所以本文對每組撞擊試驗至少重復(fù)做兩次，若兩次試驗結(jié)果相近則完成該組試驗，若兩次試驗結(jié)果差異巨大，則再進(jìn)行重復(fù)試驗，直至做出兩組相近的試驗結(jié)果。表1給出了3組試驗記錄，即一定撞擊速度條件下重復(fù)的試驗件個數(shù)及每次試驗的實際撞擊速度，可以看到，每組試驗的兩次撞擊速度比較接近并且與預(yù)定撞擊速度非常接近，說明本試驗發(fā)炮機(jī)構(gòu)精度較高。

表1 鳥撞平板試驗記錄Tab.1 Experimental record of bird striking

2.1 位移結(jié)果

不同試驗件位移測量結(jié)果的比較如圖6所示，圖6(a)給出了D1點(diǎn)位移結(jié)果的比較，1#件和2#件撞擊速度接近，二者位移結(jié)果曲線基本一致，3#件和4#及5#件和6#件的位移結(jié)果吻合性很好，對D2和D3進(jìn)行相同的比較，如圖6(b)和圖6(c)所示，發(fā)現(xiàn)，每組試驗的位移重復(fù)性均較好，這說明本次鳥撞試驗的重復(fù)性較好，測量結(jié)果的可靠性較高。試驗中由于激光光路出現(xiàn)問題導(dǎo)致第3組5#試驗件的D3點(diǎn)位移未檢測到，所以僅列出第3組6#件的D3點(diǎn)位移。比較3點(diǎn)位移峰值發(fā)現(xiàn)，D1點(diǎn)位移峰值在高速、中速、低速時分別約為26 mm、16 mm、6 mm，D2點(diǎn)位移峰值分別約為18 mm、13 mm、7 mm，D3 點(diǎn)位移峰值分別約為 10 mm、6 mm、2 mm，可見，隨著撞擊速度的降低，D1點(diǎn)位移降低幅度約為10 mm，D2點(diǎn)約為6 mm，D3點(diǎn)約為4 mm，約靠近平板中心，位移降低幅度越大，平板中心點(diǎn)的位移對撞擊速度最敏感?？疾靾D6中位移峰值出現(xiàn)的時刻，約在3.5 ms－4.0 ms之間，并且對于同一點(diǎn)位移，撞擊速度越高，位移峰值出現(xiàn)的時間越短，撞擊速度相同時，越靠近平板中心，位移峰值出現(xiàn)的時間越短。

2.2 應(yīng)變結(jié)果

不同試驗件應(yīng)變測量結(jié)果的比較如圖7所示，6#試驗件的S1和S2測量不完整，后面的數(shù)據(jù)沒有測量到，5#試驗件的S1甚至僅僅測量到了在零附近微小波動的很小一段數(shù)據(jù)，其原因是鳥撞引起的強(qiáng)大沖擊應(yīng)力波將應(yīng)變片的導(dǎo)線在瞬間拉斷或剪斷，并且，越靠近平板中心即撞擊區(qū)域，數(shù)據(jù)測量越不完整，另外，撞擊速度越高，數(shù)據(jù)測量越不完整。圖7應(yīng)變比較結(jié)果表明從S1到S4，同一組試驗的兩個試驗件測量到的結(jié)果曲線吻合性很好，這進(jìn)一步說明了本次鳥撞試驗結(jié)果良好的重復(fù)性，表明測量結(jié)果的可靠性較高。

2.3 支反力結(jié)果

圖6 位移測量結(jié)果比較Fig.6 Comparison on results of displacement measurement

圖7 應(yīng)變測量結(jié)果比較Fig.7 Comparison on results of strain measurement

圖8 支反力測量結(jié)果比較Fig.8 Comparison of support reaction force measurement

以上位移和應(yīng)變測量結(jié)果的比較表明本次鳥撞試驗的重復(fù)性良好，所以，進(jìn)行不同撞擊速度下支反力測量結(jié)果的比較時，僅給出了1#件、2#件、3#件的支反力比較，如圖8(a)和圖8(b)及圖8(c)所示，由于四個傳感器關(guān)于撞擊中心對稱，所以測量到的4個支反力的峰值大小和其出現(xiàn)的時刻基本相近，之所以出現(xiàn)微小差異的原因是鳥體撞擊平板的姿態(tài)及鳥體材料的非均勻性會影響到支反力在四個角點(diǎn)的分布，本次試驗5#件4個支反力的峰值大小和其出現(xiàn)的時刻一致性最好，3#件次之，1#件最差，可見，撞擊速度越高，4個支反力的峰值大小和其出現(xiàn)的時刻一致性越好。試驗過程中傳感器標(biāo)定以壓力為正拉力為負(fù)，3件試驗的支反力均表現(xiàn)為壓力。由于每個試驗件的4個支反力較一致，所以任取F2為研究對象，對不同撞擊速度下不同試驗件的同一支反力進(jìn)行比較，如圖8(d)所示，首先，同一組試驗的兩個試驗件測量到的結(jié)果曲線吻合性很好，表明試驗結(jié)果良好的重復(fù)性和較高的可靠性。其次，撞擊速度為36.5 m/s時，F(xiàn)2平均峰值約為10 kN，撞擊速度為84.9 m/s時，F(xiàn)2平均峰值約為30 kN，撞擊速度為118.5 m/s時，F(xiàn)2平均峰值約為55 kN，可見，撞擊支反力隨撞擊速度呈近似直線規(guī)律變化。

2.4 高速攝像結(jié)果

通過高速攝像系統(tǒng)，可以清楚地觀察到鳥體撞擊平板后的變形破碎及平板的變形過程，圖9給出了不同撞擊速度下時間間隔為1.5 ms的高速攝像結(jié)果。2#件的撞擊速度為40.2 m/s，t=0 ms顯示了鳥體與平板接觸的瞬間，撞擊位置在平板中心，鳥體軸向與平板表面法線存在夾角，t=4.5 ms前鳥體與平板之間相互作用導(dǎo)致鳥體破碎和平板彎曲，t=6.0 ms后鳥體反彈，撞擊結(jié)束后鳥體破碎成大塊的骨頭和肉片。4#件的撞擊速度為82.5 m/s，t=0 ms顯示了鳥體與平板接觸的瞬間，撞擊位置在平板中心，鳥體軸向與平板表面法線平行，為垂直正撞擊，t=3 ms前鳥體與平板之間相互作用導(dǎo)致鳥體破碎和平板彎曲，之后破碎的鳥體反彈，撞擊結(jié)束后鳥體破碎成碎小的骨頭和肉塊。5#件的撞擊速度為118.5m/s，撞擊過程中鳥體的破碎與平板的變形與4#件類似，撞擊結(jié)束后鳥體破碎成細(xì)碎的骨頭和肉沫。上述對高速攝像結(jié)果的分析表明，隨著撞擊速度的增大，鳥體的變形破碎程度不同，撞擊速度較低時，鳥體破碎成大塊的骨頭和肉片，其本構(gòu)模型應(yīng)該采用帶失效模式的彈塑性模型，撞擊速度較高時，鳥體破碎成細(xì)碎的骨頭和肉沫，表現(xiàn)為流體特征，其本構(gòu)模型應(yīng)該采用描述流體行為的狀態(tài)方程。

圖9 不同撞擊速度下高速攝像Fig.9 High-speed camera results under different striking velocity

3 結(jié)論

采用空氣炮裝置及動態(tài)測試設(shè)備對鳥撞45#鋼平板進(jìn)行了試驗研究，得到如下研究結(jié)論:

(1)鳥撞是發(fā)生在毫秒量級的沖擊動力學(xué)行為，整個撞擊過程約為3－4 ms。

(2)每組試驗兩個試驗件位移、應(yīng)變和支反力結(jié)果良好的一致性表明本次鳥撞試驗結(jié)果的可靠性，結(jié)果數(shù)據(jù)可以用來驗證鳥撞數(shù)值模擬的合理性。

(3)高速攝像結(jié)果表明，撞擊速度較低時，鳥體破碎成大塊的骨頭和肉片，其本構(gòu)模型應(yīng)該采用帶失效模式的彈塑性模型，撞擊速度較高時，鳥體破碎成細(xì)碎的骨頭和肉沫，表現(xiàn)為流體特征，其本構(gòu)模型應(yīng)該采用描述流體行為的狀態(tài)方程。

本文鳥撞試驗結(jié)果可為鳥撞數(shù)值模擬方法的驗證提供重要數(shù)據(jù)，特別是鳥體本構(gòu)模型及參數(shù)值得進(jìn)一步研究，將其程序化，嵌入有限元軟件中，為飛機(jī)結(jié)構(gòu)的鳥撞數(shù)值模擬提供技術(shù)支持。

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