楊高

摘 要：該文從鳥(niǎo)體撞擊機(jī)體結(jié)構(gòu)的原理出發(fā)，研究撞擊時(shí)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)方式，得到結(jié)構(gòu)防護(hù)的重點(diǎn)設(shè)計(jì)方向；在鳥(niǎo)撞失效準(zhǔn)則的指導(dǎo)下，結(jié)合鳥(niǎo)撞特點(diǎn)，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行選型方向的確定、材料選用以及結(jié)構(gòu)參數(shù)的分析，并通過(guò)實(shí)例說(shuō)明關(guān)于鳥(niǎo)撞擊體的情況。

關(guān)鍵詞：前緣 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 鳥(niǎo)撞

中圖分類號(hào)：V211 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）03（b）-0008-02

鳥(niǎo)撞是一種突發(fā)性和多發(fā)性的飛行事故，輕則導(dǎo)致結(jié)構(gòu)部件的損傷，重則引發(fā)機(jī)毀人亡的災(zāi)難[1]，國(guó)際航空聯(lián)合會(huì)將鳥(niǎo)害定義為“A”類航空災(zāi)難[2]。在已統(tǒng)計(jì)的鳥(niǎo)撞事故中，固定類前緣發(fā)生鳥(niǎo)撞行為的概率僅排在發(fā)動(dòng)機(jī)、風(fēng)擋之后[3]。

由于鳥(niǎo)撞引起的巨大損失，各國(guó)政府和科研機(jī)構(gòu)對(duì)鳥(niǎo)撞問(wèn)題均進(jìn)行了深入研究，比較著名的有國(guó)際鳥(niǎo)撞委員會(huì)（IBSC）、歐洲鳥(niǎo)撞委員會(huì)（BSCE）和美國(guó)鳥(niǎo)撞委員會(huì)（BSC-USA）等。就鳥(niǎo)撞的研究分為主動(dòng)防御與被動(dòng)防護(hù)兩個(gè)方面：一方面研究如何避免鳥(niǎo)撞事故的發(fā)生；另一方面?zhèn)戎匮芯刻岣唢w行器結(jié)構(gòu)抗擊鳥(niǎo)撞的能力。

國(guó)內(nèi)，李玉龍、宋春燕等從理論原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及行業(yè)要求等不同方面都對(duì)前緣鳥(niǎo)撞問(wèn)題進(jìn)行了研究，飛機(jī)強(qiáng)度所等業(yè)內(nèi)單位完善了相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)等[4]，這些工作都對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)專業(yè)有了具體的指導(dǎo)意義。但總的來(lái)說(shuō)，我國(guó)對(duì)于飛機(jī)鳥(niǎo)撞問(wèn)題研究起步晚，型號(hào)支持較弱，目前處于摸索、追趕階段。

對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，翼面前緣需同時(shí)滿足結(jié)構(gòu)重量與安全性的要求。因此應(yīng)在對(duì)適航條款解讀的基礎(chǔ)上，對(duì)鳥(niǎo)撞行為進(jìn)行詳細(xì)分析，確定鳥(niǎo)撞行為對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，進(jìn)行有針對(duì)性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 適航條款分析

鳥(niǎo)撞行為分析中，首先需要確定的決定因素是飛機(jī)能接受的鳥(niǎo)撞失效判據(jù)。為確保飛行安全，CCAR-25部適航條款§25.571（結(jié)構(gòu)的損傷容限和疲勞評(píng)定）（e）、§25.631（鳥(niǎo)撞損傷）分別規(guī)定了機(jī)翼、尾翼結(jié)構(gòu)抗鳥(niǎo)撞的設(shè)計(jì)要求，機(jī)翼考核用1.8 kg重鳥(niǎo)體，尾翼考核用3.6 kg重鳥(niǎo)體。規(guī)章內(nèi)容包括了結(jié)構(gòu)損傷和系統(tǒng)保護(hù)兩種情況：

（1）當(dāng)前緣后方布置有整體油箱時(shí)，應(yīng)能承受應(yīng)當(dāng)保證飛機(jī)以海平面巡航速度Vc飛行時(shí)發(fā)生1.8 kg/3.6 kg的飛鳥(niǎo)撞擊，不允許前梁損傷或變形。

（2）當(dāng)前緣內(nèi)裝有液壓、操縱系統(tǒng)的管路和設(shè)備時(shí)，應(yīng)能承受飛機(jī)以海平面巡航速度Vc飛行時(shí)發(fā)生1.8 kg/3.6 kg的飛鳥(niǎo)撞擊，前緣和前梁不被擊穿（或變形過(guò)大）。

（3）當(dāng)前緣內(nèi)不含液壓、操縱系統(tǒng)的管路和設(shè)備時(shí)，應(yīng)能承受飛機(jī)以海平面巡航速度Vc飛行時(shí)發(fā)生1.8 kg/3.6 kg的飛鳥(niǎo)撞擊，允許前緣、前梁腹板出現(xiàn)穿孔損傷，但這些破壞不會(huì)導(dǎo)致飛機(jī)飛行性能嚴(yán)重變壞和結(jié)構(gòu)總體強(qiáng)度降低到不安全水平。

具體的抗鳥(niǎo)撞性能指標(biāo)應(yīng)在飛機(jī)專用技術(shù)條件中明確提出。

2 鳥(niǎo)撞原理

當(dāng)鳥(niǎo)體對(duì)結(jié)構(gòu)的撞擊速度小于50 m/s（以下簡(jiǎn)稱“Ⅰ類撞擊”）時(shí)，結(jié)構(gòu)主要是彈性變形及局部塑性變形；當(dāng)撞擊速度在50～500 m/s（以下簡(jiǎn)稱“Ⅱ類撞擊”）時(shí)，結(jié)構(gòu)呈塑性變形（撞擊過(guò)程中應(yīng)變速率作為撞擊速度函數(shù)的簡(jiǎn)單分類，撞擊速度的范圍被當(dāng)作參考點(diǎn)，實(shí)際上由于撞擊加載下的變形過(guò)程除了取決于撞擊速度外還有其他加載參量的影響，所以區(qū)分界限并不是很明顯。近年來(lái)也有將70 m/s作為區(qū)分Ⅰ類撞擊與Ⅱ類撞擊的臨界速度），此時(shí)由于鳥(niǎo)體急劇減速而產(chǎn)生的巨大應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)鳥(niǎo)體材料的屈服強(qiáng)度，使得鳥(niǎo)體產(chǎn)生大變形并呈現(xiàn)高速?zèng)_擊下的流體力學(xué)行為特征[5]，結(jié)構(gòu)傳載通路無(wú)法及時(shí)響應(yīng)導(dǎo)致瞬間破壞。

Ⅰ類撞擊時(shí)，由于相對(duì)速度較低，鳥(niǎo)體與結(jié)構(gòu)接觸時(shí)間長(zhǎng)，鳥(niǎo)體攜帶的動(dòng)能和沖量一般為結(jié)構(gòu)所接受，結(jié)構(gòu)阻尼效果較為顯著。即使蒙皮凹陷或穿透、撕裂，由于結(jié)構(gòu)的傳載通路完整，能夠進(jìn)行能量的分流。

Ⅱ類撞擊時(shí)，鳥(niǎo)撞問(wèn)題實(shí)質(zhì)是流體和結(jié)構(gòu)耦合動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題，載荷與變形是相互影響且不斷變化的。鳥(niǎo)撞行為作用時(shí)間較短（一般認(rèn)為在5～8 ms之間），結(jié)構(gòu)處于大變形非線性狀態(tài)，材料處于非線性彈塑性狀態(tài)且處于動(dòng)平衡狀態(tài)，破壞行為更多認(rèn)為是瞬間撞擊，表現(xiàn)為高度非線性的沖擊動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象。鳥(niǎo)體攜帶的動(dòng)能和沖量巨大，結(jié)構(gòu)的傳載性能無(wú)法瞬時(shí)響應(yīng)，此時(shí)更多的依賴于材料的強(qiáng)度響應(yīng)。

因此，鳥(niǎo)撞過(guò)程的研究多針對(duì)Ⅱ類撞擊進(jìn)行。

3 結(jié)構(gòu)響應(yīng)

蒙皮作為鳥(niǎo)撞的直接接觸點(diǎn)，吸收鳥(niǎo)撞能量并拋飛鳥(niǎo)體，是結(jié)構(gòu)抗鳥(niǎo)撞的主要構(gòu)件；前緣內(nèi)部弦向結(jié)構(gòu)件主要用于維持前緣剖面形狀及提高結(jié)構(gòu)的抗失穩(wěn)能力，由于弦向剖面積小，對(duì)結(jié)構(gòu)抗鳥(niǎo)撞能力的貢獻(xiàn)不大。因此設(shè)計(jì)重點(diǎn)應(yīng)為前緣蒙皮的材料選用及厚度選擇。

當(dāng)Ⅱ類撞擊發(fā)生時(shí)，沖擊速度快，鳥(niǎo)體攜帶的動(dòng)能和沖量巨大，結(jié)構(gòu)的傳載性能無(wú)法瞬時(shí)響應(yīng)，此時(shí)更多的依賴于材料的強(qiáng)度響應(yīng)。理論上，材料強(qiáng)度越高，塑性越好，受破壞程度越小，但材料的高強(qiáng)度帶來(lái)的材料高比剛度導(dǎo)致了材料的脆性提高，韌性降低，結(jié)果呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)快速撕裂，受沖擊破壞程度反而有所升高；低強(qiáng)度材料鳥(niǎo)撞結(jié)果與高強(qiáng)度材料鳥(niǎo)撞結(jié)果基本相反。當(dāng)前緣結(jié)構(gòu)的材料內(nèi)力無(wú)法將能量抵消完，則結(jié)構(gòu)徹底被撕裂，此時(shí)鳥(niǎo)體繼續(xù)撞擊盒段前梁，從而影響主結(jié)構(gòu)安全。

Ⅱ類撞擊發(fā)生時(shí)，材料在短時(shí)間內(nèi)承受高速?zèng)_擊產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)載荷，材料性能為動(dòng)態(tài)性能且呈非線性變化，應(yīng)變水平在102～104/s左右。材料的動(dòng)態(tài)性能受應(yīng)變率影響很大，高應(yīng)變率會(huì)提高材料的屈服應(yīng)力，加載速率越高，材料的屈服應(yīng)力值也越高，材料在高應(yīng)變率下產(chǎn)生的強(qiáng)化效應(yīng)對(duì)延長(zhǎng)鳥(niǎo)體在結(jié)構(gòu)上的滯留時(shí)間、消耗鳥(niǎo)撞能量等有極大改觀，因此，材料選用應(yīng)圍繞具有較好強(qiáng)化效應(yīng)的材料進(jìn)行。

出于研發(fā)成本考慮，各飛機(jī)公司在型號(hào)預(yù)研階段多采取能量法進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)的預(yù)估。能量法是從能量的角度考慮鳥(niǎo)體撞擊時(shí)穿透蒙皮或腹板需要多少動(dòng)能，即鳥(niǎo)體的動(dòng)能是否大于穿透蒙皮或穿透蒙皮和腹板所需動(dòng)能。動(dòng)能不但與鳥(niǎo)體質(zhì)量有關(guān)，同時(shí)也與鳥(niǎo)體與機(jī)體的相對(duì)速度有關(guān)。用不同牌號(hào)鋁合金制造的蒙皮，穿透速度相差不大。

有關(guān)資料對(duì)各大飛機(jī)制造商利用穿透速度在型號(hào)設(shè)計(jì)初級(jí)階段的蒙皮厚度預(yù)估方法做了詳細(xì)的論述，分析發(fā)現(xiàn)各大飛機(jī)制造商的預(yù)估方法與實(shí)際試驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)相差7%左右，對(duì)于鳥(niǎo)撞穿透速度的工程計(jì)算而言，精度滿足要求。但應(yīng)注意的是：各預(yù)估方法僅針對(duì)蒙皮不被穿透，具體設(shè)計(jì)應(yīng)在計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，對(duì)適用的鳥(niǎo)撞失效判據(jù)進(jìn)行分析，避免不必要的重量損失。

4 結(jié)語(yǔ)

高速飛行的鳥(niǎo)體對(duì)飛機(jī)翼面前緣結(jié)構(gòu)的撞擊過(guò)程極為復(fù)雜，尚沒(méi)有能夠完整描述該過(guò)程的分析/計(jì)算方法出現(xiàn)。但以適航規(guī)章為出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行鳥(niǎo)撞過(guò)程的分析，得到翼面前緣內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)結(jié)構(gòu)抗鳥(niǎo)撞貢獻(xiàn)不大、重點(diǎn)防護(hù)應(yīng)放在蒙皮類結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上的思路，應(yīng)在此基礎(chǔ)上進(jìn)行不斷的細(xì)化，最終得到滿足要求的翼面前緣抗鳥(niǎo)撞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

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