王 意

上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究部

飛機(jī)結(jié)構(gòu)抗鳥撞問題的研究一直是國內(nèi)外飛機(jī)設(shè)計(jì)研究中的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和有限元分析理論的發(fā)展，在工程實(shí)際中，逐漸形成了以有限元數(shù)值模擬與鳥撞試驗(yàn)相結(jié)合的方法來進(jìn)行抗鳥撞設(shè)計(jì)研究，而飛機(jī)結(jié)構(gòu)鳥撞試驗(yàn)是最終、也是最有效的檢測和適航驗(yàn)證方法，本文通過某型支線飛機(jī)機(jī)頭結(jié)構(gòu)的鳥撞研發(fā)試驗(yàn)經(jīng)歷表明：在飛機(jī)設(shè)計(jì)的初始階段就考慮到鳥撞的影響，并對(duì)可能的抗鳥撞薄弱部位進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)考慮，那么就能極大地提高飛機(jī)整體的抗鳥撞性能。

隨著生態(tài)環(huán)境的不斷改善，飛機(jī)遭受鳥撞的事件逐年增加，例如我國華東地區(qū)民用飛機(jī)2004年4-12月（9 個(gè)月）共發(fā)生24 起鳥撞事故，2005年1-8月（8 個(gè)月）共發(fā)生47 起鳥撞事故，增加一倍多，而據(jù)FAA 估計(jì)，統(tǒng)計(jì)到的鳥撞事故僅僅占民機(jī)鳥撞事故的20%。在鳥撞擊飛機(jī)的事故中，由于風(fēng)擋、座艙蓋、雷達(dá)罩等部件位于機(jī)頭處，迎風(fēng)面積大，它們與鳥相撞的機(jī)率相應(yīng)也較大，據(jù)FAA 從1990年到2006年的統(tǒng)計(jì)資料表明，客機(jī)機(jī)頭結(jié)構(gòu)遭受鳥撞的概率為整個(gè)飛機(jī)遭受鳥撞事故的44%。

眾所周知，結(jié)構(gòu)鳥撞試驗(yàn)是最終、也是最有效的檢測和適航驗(yàn)證方法，但是鳥撞試驗(yàn)因其試驗(yàn)費(fèi)用之高，試驗(yàn)周期之長，以及試驗(yàn)中的一些不確定事件的發(fā)生，使其對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)作用大大下降。為了使結(jié)構(gòu)抗鳥撞設(shè)計(jì)能真正融入到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系中，加快設(shè)計(jì)-分析-設(shè)計(jì)這一反復(fù)迭代研制過程，同時(shí)也為了降低型號(hào)研制費(fèi)用，采用高性能有限元計(jì)算軟件對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗鳥撞仿真與設(shè)計(jì)已經(jīng)成為飛機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一個(gè)重點(diǎn)方向。

本文將通過某型支線客機(jī)鳥撞試驗(yàn)的經(jīng)歷，結(jié)合Pam-Crash 沖擊動(dòng)力學(xué)有限元軟件，利用有限元法對(duì)機(jī)頭結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)中出現(xiàn)的損壞原因進(jìn)行了分析，并在分析的基礎(chǔ)上對(duì)飛機(jī)的相應(yīng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，從而保障鳥撞試驗(yàn)順利完成。

鳥撞部位結(jié)構(gòu)

一般來說，機(jī)頭的主體結(jié)構(gòu)采用框、長桁、蒙皮組成的典型的半硬殼式全金屬結(jié)構(gòu)。為了安裝機(jī)鼻部位的雷達(dá)加之氣動(dòng)修形的需要，機(jī)頭外形通常是處于收縮段外形曲率變化較大，駕駛艙以前的多為無長桁的密框結(jié)構(gòu)。

對(duì)于處于不同位置的框，則根據(jù)功能的需要，采用了不同類型的結(jié)構(gòu)型式，主要為鈑彎件構(gòu)成的組合框，少數(shù)為鈑彎件和內(nèi)外緣型材組合而成的加強(qiáng)框。所有這些框，用來維持機(jī)身的外形，對(duì)縱向構(gòu)件提供支持，提高縱向構(gòu)件的承載能力，與蒙皮、長桁一起承受和傳遞來自機(jī)身內(nèi)部的載荷，如氣密載荷，并將框所承受的局部載荷傳遞給壁板，是機(jī)身最基本的橫向承力構(gòu)件。

適航對(duì)機(jī)頭結(jié)構(gòu)抗鳥撞性能的要求

我國參照外國相關(guān)適航管理?xiàng)l例制定了的CCAR-25（《中國民用航空規(guī)章》第25 部），對(duì)民航運(yùn)輸類飛機(jī)的結(jié)構(gòu)抗鳥撞性能指標(biāo)作簡要闡述。

CCAR-25.571——飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷容限（離散源）評(píng)定

（e）損傷容限（離散源）評(píng)定在下列任一原因很可能造成結(jié)構(gòu)損傷的情況下，飛機(jī)必須能夠成功地完成該次飛行。

（1）在最高至2450m（8000ft）的各種高度上，在很可能有的各種運(yùn)行速度下，受到1.8kg（4lb）重鳥的撞擊；

損傷后的結(jié)構(gòu)必須能承受飛行中可合理預(yù)期出現(xiàn)的靜載荷（作為極限載荷考慮），不需要考慮對(duì)這些靜載荷的動(dòng)態(tài)影響。

CCAR-25.775——風(fēng)擋和窗戶

（a）內(nèi)層玻璃必須用非碎裂性材料制成。

（b）位于正常執(zhí)行其職責(zé)的駕駛員正前方的風(fēng)擋玻璃及其支撐結(jié)構(gòu)，必須能承受住1.8kg（4lb）的飛鳥撞擊而不被擊穿，此時(shí)飛機(jī)的速度（沿飛機(jī)飛行航跡相對(duì)于飛鳥）等于按CCAR-25.335（a）選定的海平面Vc 值。

從以上適航條款可以看出，適航當(dāng)局對(duì)于機(jī)頭結(jié)構(gòu)提出了相應(yīng)的抗鳥撞要求：1.8kg（4lb）的飛鳥、撞擊速度為按CCAR-25.335（a）選定的海平面Vc 值。

通常，為了向適航當(dāng)局證明某型支線客機(jī)的抗鳥撞性能，地面鳥撞模擬試驗(yàn)是最直接、最有效的結(jié)構(gòu)抗鳥撞性能檢驗(yàn)和適航驗(yàn)證手段，也是通過適航審查，取得適航證的必須工作。首先在制造過程中必須對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行制造符合性檢查，即制造的試驗(yàn)件必須符合圖紙，不允許用好料或厚料代替，也不允許用次料或薄料代替。試驗(yàn)單位必須是經(jīng)過有關(guān)當(dāng)局批準(zhǔn)的，試驗(yàn)件的安裝必須與實(shí)際情況相符，試驗(yàn)用的設(shè)備和各種測量儀器必須是專門廠家生產(chǎn)的，并在有效期內(nèi)。自制設(shè)備或儀器必須經(jīng)過專家會(huì)議鑒定后方能投入使用。只有具備上述條件做的試驗(yàn)才是有效的。

圖1 蒙皮上釘孔基本完整、對(duì)接帶板上前兩排為剪斷

圖2 蒙皮破壞瞬間

圖3 更進(jìn)后的側(cè)壁結(jié)構(gòu)

鳥撞部位損傷分析及改進(jìn)

通常在正式的適航試驗(yàn)之前，都會(huì)進(jìn)行多次的鳥撞研發(fā)試驗(yàn)，以提前發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的抗鳥撞薄弱位置，并進(jìn)行針對(duì)性的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，下面將從本人參與的試驗(yàn)中對(duì)機(jī)頭結(jié)構(gòu)有典型意義的兩次試驗(yàn)為例，對(duì)機(jī)頭結(jié)構(gòu)的抗鳥撞分析及設(shè)計(jì)改進(jìn)進(jìn)行相應(yīng)的探討。

座艙蓋上壁板結(jié)構(gòu)鳥撞試驗(yàn)

座艙蓋上壁板結(jié)構(gòu)主要由前、后兩塊蒙皮及縱、橫梁組成，中間縱梁為機(jī)加件，其他縱、橫梁為鈑彎件，有對(duì)接帶板進(jìn)行連接。在初次鳥撞試驗(yàn)過程中，出現(xiàn)前后蒙皮對(duì)接處鉚釘剪切失效的現(xiàn)象，對(duì)鳥撞結(jié)果有相當(dāng)?shù)牟焕绊?，詳見圖1。

蒙皮采用的鋁合金具有較好的延展性，通過現(xiàn)場觀測，在撞擊點(diǎn)處凹陷較大，但蒙皮未見明顯撕裂痕跡，鉚釘孔基本上完好，對(duì)接處鉚釘剪斷，說明蒙皮在變形過程中沿厚度方向上剪切力較大，鉚釘先于蒙皮失效。根據(jù)以上分析結(jié)果，同時(shí)考慮上壁板的緊固件安裝方便，挑選工廠常用的埋頭高鎖螺栓，再次進(jìn)行鳥撞研發(fā)試驗(yàn)，達(dá)到了預(yù)期的效果，上壁板有明顯變形，緊固件沒有剪斷，結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)大的破壞。

座艙蓋側(cè)壁板結(jié)構(gòu)鳥撞試驗(yàn)

某支線客機(jī)側(cè)壁結(jié)構(gòu)為鈑彎件組合成的框與蒙皮構(gòu)成的無長桁密框結(jié)構(gòu)，并由于有系統(tǒng)安裝需要在側(cè)壁開出了一些不等的開口。在研發(fā)試驗(yàn)時(shí)，側(cè)壁與上壁板表現(xiàn)出了正好相反的試驗(yàn)結(jié)構(gòu)，鉚釘尚未剪斷，但蒙皮在鉚釘孔處撕裂成，見圖2。

通過Pam-crash 分析可以發(fā)現(xiàn)，破損最先發(fā)生在被鉚釘孔削弱的蒙皮處，隨著撞擊的進(jìn)行，裂紋逐漸擴(kuò)展。通過分析可以發(fā)現(xiàn)，撞擊點(diǎn)處的框高、框緣厚度、剛度明顯小于周圍框，也就是說，鳥體在接觸到試驗(yàn)件之后，鳥體彈著點(diǎn)的試驗(yàn)件區(qū)域剛好處于剛度由弱至強(qiáng)的區(qū)域，在撞擊點(diǎn)形成一個(gè)很深的凹陷。受到?jīng)_擊載荷之后蒙皮的瞬時(shí)變形量很大，局部區(qū)域的變形量超過材料的斷裂延伸率，同時(shí)受在被鉚釘孔削弱的影響，在蒙皮處受此沖擊產(chǎn)生一條裂紋，裂紋擴(kuò)展最終形成一個(gè)開口。

基于該假設(shè)，如果加強(qiáng)撞擊點(diǎn)處框的剛度，使其與周圍框的剛度、變形相協(xié)調(diào)，那么蒙皮變形量將減小，被鉚釘孔削弱的蒙皮不易開裂，整個(gè)座艙蓋側(cè)壁板結(jié)構(gòu)就不會(huì)產(chǎn)生圖2 形式的破壞。在此分析基礎(chǔ)上，對(duì)撞擊點(diǎn)處的框進(jìn)行加強(qiáng)，再次進(jìn)行鳥撞研發(fā)試驗(yàn)時(shí)，達(dá)到了預(yù)期的效果，見圖3。

結(jié)語

在某支線客機(jī)鳥撞研發(fā)試驗(yàn)過程中，通過多次試驗(yàn)結(jié)果，證明1.8mm 以上的蒙皮、小間距無長桁密框的機(jī)頭結(jié)構(gòu)完全能承受住151±3m/s、1.8Kg 的飛鳥沖擊，但是環(huán)向蒙皮的連接強(qiáng)度、環(huán)向蒙皮支撐結(jié)構(gòu)的剛度則是關(guān)鍵。在主體結(jié)構(gòu)確定的情況下，細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)因素是設(shè)計(jì)人員需要關(guān)注的重點(diǎn)，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)抗鳥撞設(shè)計(jì)時(shí)，盡量避免剛度差別過大，保證整個(gè)結(jié)構(gòu)內(nèi)部剛度變化的平滑程度，確保整體變形的匹配協(xié)調(diào)性。

通過某支線客機(jī)鳥撞研發(fā)試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)來說：如果在飛機(jī)設(shè)計(jì)的初始階段就考慮到鳥撞的影響，并對(duì)可能的抗鳥撞薄弱部位進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)考慮，那么就能以較小的代價(jià)極大地提高飛機(jī)整體的抗鳥撞性能。