王會利

（中航工業(yè)飛機強度研究所32室，西安 710065）

飛機結(jié)構(gòu)鳥撞事件是危害飛機飛行安全的重要問題，因此越來越多的被人們所重視。鳥撞事故一般發(fā)生在600米高度以下的空域范圍內(nèi)，對固定翼飛機而言，這一空域范圍一般僅對應飛機的起飛和降落過程，但是對于直升機而言，這一高度正是體現(xiàn)其優(yōu)越性的飛行高度。由于直升機具有垂直飛行能力，對起飛和著陸場地的依賴性較小，因此，在執(zhí)行人員和貨物運輸、緊急救生、公安巡邏、森林防火、航空攝影、海上作業(yè)等各種飛行任務(wù)時，低空飛行成為民用直升機的顯著使用特點，遭遇鳥類撞擊的可能性更大［1，2］。隨著民用直升機最大飛行速度的提高，鳥撞事故的危害性也在逐步增強。

如圖1所示，指出了本文所研究的飛機斜梁前緣部位。直升機斜梁位于機身結(jié)構(gòu)的后部，前緣在斜梁前部，主要承受飛行中的氣動載荷和鳥撞載荷，而鳥撞對直升機的安全構(gòu)成了嚴重的威脅。本文對4種由不同復合材料組成的前緣結(jié)構(gòu)進行了鳥撞仿真選優(yōu)，并對選出的最優(yōu)前緣結(jié)構(gòu)進行了鳥撞試驗，驗證了仿真計算結(jié)果的準確性，對后期飛機相應結(jié)構(gòu)進行抗鳥撞設(shè)計及鳥撞驗證試驗有著重要的參考意義。

圖1 抗鳥撞研究的結(jié)構(gòu)部位

1 仿真模型的建立

1.1 鳥體模型

準確地說，鳥體是一種由非均質(zhì)材料組成的“結(jié)構(gòu)”，包括羽毛、肌肉和骨骼等，水分含量很高。在實際處理中，常常將鳥體視為由90%的水和10%的空氣組成的均質(zhì)混合物，即鳥體密度ρ約為900kg/m3。按照《飛機設(shè)計手冊》，采用長徑比L/D=2的圓柱體作為鳥體近似模型，即：

將鳥體視為彈塑性體，本文取鳥體直徑為87mm。在Patran中建立的有限元模型如圖2所示。

圖2 鳥體模型

1.2 前緣模型

本文中機翼前緣材料采用復合材料夾層結(jié)構(gòu)，復合材料具有高比強度和高比模量，可設(shè)計性好等許多良好特性，將其用于抗鳥撞設(shè)計具有吸能好、質(zhì)量輕等優(yōu)點。前緣結(jié)構(gòu)一采用復合材料層壓板結(jié)構(gòu)，無吸能層，無支撐肋，有14層鋪層，在Patran中建立的的有限元模型如圖3所示。

圖3 前緣結(jié)構(gòu)一模型

前緣結(jié)構(gòu)二采用復合材料夾層結(jié)構(gòu)，面板采用碳纖維復合材料，夾芯為NOMEX紙蜂窩，內(nèi)外表面各四層鋪層，中間夾芯厚度為10mm，在Patran中建立的模型如下圖4所示［3］。

圖4 夾芯厚度為10mm的模型

前緣結(jié)構(gòu)三、前緣結(jié)構(gòu)四均和前緣結(jié)構(gòu)二的模型相同，唯一不同之處是結(jié)構(gòu)三和結(jié)構(gòu)四的面板分別采用玻璃纖維復合材料和KEVAR玻璃纖維復合材料。

1.3 前緣結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

前緣結(jié)構(gòu)采用的材料參數(shù)見下表1所示。

表1 前緣結(jié)構(gòu)材料性能

2 仿真分析

2.1 鳥撞過程分析

文中應用瞬態(tài)動力學分析軟件PAM-CRASH對鳥體撞擊4種不同復合材料前緣結(jié)構(gòu)進行了數(shù)值仿真分析，其撞擊過程如圖5所示［4-6］。

圖5 鳥體撞擊前緣結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 四種結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果比較

結(jié)構(gòu)一、結(jié)構(gòu)二、結(jié)構(gòu)三和結(jié)構(gòu)四在初始速度為100m/s時鳥體的動能變化如圖6所示，計算結(jié)果如表2所示。本文以鳥體動能損失量來考核前緣結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)略，因為前緣結(jié)構(gòu)性能越好，吸收鳥體的動能就越多，鳥體撞擊時前緣結(jié)構(gòu)才不容易被擊穿。

圖6 100m/s時鳥體動能變化曲線

從表2中可以看到當綜合考慮鳥體動能損失和前緣重量時，結(jié)構(gòu)四的夾芯厚度為10mm的結(jié)構(gòu)最優(yōu)。

表2 100m/s時計算結(jié)果比較

3 試驗結(jié)果分析

3.1 試驗件及測試點的選取

尾翼前緣應變及撞擊力測點示意圖如圖7所示，應變片位置為左右對稱分布，上下兩點各在3和2號肋附近，其中1-9為應變測點；10-13為撞擊力測點。鳥撞試驗的撞擊速度為300km/h（83.3m/s），機體軸平行于炮管軸線。

圖7 尾翼前緣應變及撞擊力測試點

3.2 試驗結(jié)果與仿真計算結(jié)果對比

試驗以前緣結(jié)構(gòu)四為對象，圖8至圖11顯示出了試驗測量曲線和仿真計算曲線，這里我們只給出了4個點的對比結(jié)果，圖中實線表示試驗結(jié)果，虛線表示仿真計算結(jié)果。

圖8 測量點1處應變曲線

圖9 測量點5處應變曲線

圖10 測量點7處應變曲線

圖11 測量點10撞擊力曲線

3.3 結(jié)果分析

從仿真分析與試驗結(jié)果的曲線對比來看，仿真結(jié)果和測量點應變曲線的變化趨勢基本上是一致的，但從圖中可以看出曲線的最大值、最小值之間有一定的誤差，這可能是由于試驗件和仿真結(jié)構(gòu)在材料和邊界條件方面的一些差別造成的。建模過程中我們通過改變鳥體的參數(shù)和網(wǎng)格的大小等有限元分析變量不斷的修正模型，使計算結(jié)果與試驗結(jié)果更加逼近。

4 結(jié)論

鳥體撞擊前緣結(jié)構(gòu)過程中撞擊點附近的應變量和撞擊力通過仿真分析與試驗結(jié)果的對比很接近，曲線趨勢基本一致，由此，可以得到如下結(jié)論：試驗結(jié)果與仿真分析結(jié)果是一致的，說明仿真結(jié)果是合理的；通過仿真分析計算，較為準確的預估了鳥體撞擊前緣結(jié)構(gòu)的過程，可為試驗結(jié)構(gòu)的選型和試驗的順利進行提供預試驗分析，為傳感器的布置，量程的選取等提供依據(jù)，可提高試驗效率，并有效的提高物理量測量的精度及數(shù)據(jù)的可靠性，降低試驗風險。

［1］趙楠，薛璞.機翼前緣結(jié)構(gòu)抗鳥撞分析研究［J］.科學技術(shù)與工程，2010，10（8）：1911-1914.

［2］張永康，李玉龍.不同構(gòu)型梁-緣結(jié)構(gòu)抗鳥撞性能分析［J］.機械科學與技術(shù)，2007；26（12）：1595-1599.

［3］劉軍，李玉龍，徐緋.基于PAM-CRASH的鳥撞飛機風擋動響應分析［J］.爆炸與沖擊，2009，29（1）：80-84.

［4］Airoldi A，Cacchione B.Modeling of impact forces and pressures in Lagrangian bird strike analyses［J］.International Journal of Impact Engineering，2006，32（10）：1651-1677.

［5］萬小朋，龔倫，趙美英，等.基于ANSYS/L S—DYNA的飛機機翼前緣抗鳥撞分析［J］.西北工業(yè)大學學報，2007，25（2）：285-289.

［6］朱曉東，宋春艷，朱廣榮.泡沫夾層結(jié)構(gòu)鳥撞仿真分析與試驗驗證［J］.飛機設(shè)計，2012，32（5）：43-45.