陸曉華, 張柱國, 張迎春, 左洪福

(1. 南京航空航天大學(xué) 民航學(xué)院, 南京 210006; 2. 中國民航上海航空器適航審定中心, 上海 200335)

近年來民用無人機(jī)在應(yīng)急救援、環(huán)境監(jiān)測、電力巡線、航拍測繪、農(nóng)林植保、貨物運(yùn)輸?shù)榷鄠€領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,但無人機(jī)數(shù)量的迅猛增長也導(dǎo)致了航空安全風(fēng)險隱患的增加。國外已經(jīng)發(fā)生多起無人機(jī)與客機(jī)直接碰撞和危險接近事件[1],國內(nèi)雖沒有報道無人機(jī)與飛機(jī)碰撞事件,但自2013年以來無人機(jī)侵入飛行管制區(qū)域或危險接近客機(jī)的不安全事件已百余起,影響到百余萬旅客出行,并對民航運(yùn)輸業(yè)的安全生產(chǎn)產(chǎn)生嚴(yán)重影響[2-5]。

目前學(xué)者們對于飛機(jī)遭遇外物碰撞的研究大都集中在鳥體與飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)、復(fù)材結(jié)構(gòu)和風(fēng)擋玻璃的撞擊[6-8],且以FAR(Federal Aviation Regulations)25.571、25.631、25.771等條款為適航符合性驗證標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行仿真、試驗和設(shè)計優(yōu)化等研究。無人機(jī)與風(fēng)擋玻璃的撞擊研究目前主要集中無人機(jī)撞擊汽車風(fēng)擋玻璃方面[9-10],但汽車風(fēng)擋結(jié)構(gòu)相對規(guī)則且內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成簡單,外物撞擊的速度也相對較低。歐美國家民航當(dāng)局在無人機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大的背景下,已經(jīng)展開了無人機(jī)與飛機(jī)碰撞的相關(guān)研究。美國聯(lián)邦航空局領(lǐng)導(dǎo)的ASSURE(Alliance for System Safety of UAS through Research Excellence)小組在空中碰撞嚴(yán)重性評估研究中,完成了一種四旋翼構(gòu)型、一種固定翼構(gòu)型無人機(jī)與兩款飛機(jī)風(fēng)擋、機(jī)翼前緣、尾翼前緣碰撞的數(shù)值模擬[11-13]。澳大利亞民航局通過蒙特卡洛仿真研究發(fā)現(xiàn)在大型客機(jī)降落階段,2 kg以下的小型無人機(jī)不可能穿透大型客機(jī)駕駛艙風(fēng)擋,而通航飛機(jī)的風(fēng)擋在巡航速度下一定會被無人機(jī)穿透[14]。 Choi等[15]通過試驗研究了無人機(jī)與玻璃板的碰撞機(jī)理,在LS-DYNA中仿真評估沖擊力,確定了引起最大和最小威脅的特定碰撞條件。 Lu等[16]在PAM-CRASH軟件環(huán)境下,建立了無人機(jī)與飛機(jī)擋風(fēng)玻璃碰撞仿真模型,仿真結(jié)果驗結(jié)果進(jìn)行了對比分析,驗證了仿真的有效性。Man等[17]利用有限元仿真法對直升機(jī)風(fēng)擋遭遇無人機(jī)碰撞進(jìn)行了損傷嚴(yán)重性預(yù)測分析。劉繼軍等[18]利用有限元法進(jìn)行數(shù)值模擬,結(jié)果顯示飛機(jī)風(fēng)擋在相似撞擊工況下,小型無人機(jī)比鳥體更具破壞性。郭亞周等[19]采用空氣炮法進(jìn)行試驗,研究結(jié)果表明在等質(zhì)量和等沖擊速度下,微型無人機(jī)比鳥更容易穿透風(fēng)擋對艙內(nèi)人員和內(nèi)部設(shè)施造成損傷,具備更大的破壞力。上述研究大都是在試驗室條件下應(yīng)用空氣炮技術(shù)發(fā)射無人機(jī)部件或者簡化的無人機(jī)撞擊飛機(jī)風(fēng)擋,并進(jìn)行仿真研究。本文以大疆公司生產(chǎn)的典型輕型無人機(jī)Phantom 4(約1 360 g)和某型商用飛機(jī)主風(fēng)擋為研究對象,開展整機(jī)級無人機(jī)與全尺寸機(jī)頭結(jié)構(gòu)風(fēng)擋玻璃不同位置遭的高速碰撞損傷敏感性分析,并研究經(jīng)過抗鳥撞適航驗證的飛機(jī)風(fēng)檔抗無人機(jī)高速撞擊的能力。

1 無人機(jī)有限元建模

Phantom 4 Pro典型輕型無人機(jī)被廣泛用于美國、英國等國家的試驗室碰撞安全研究。本文中的無人機(jī)(unmanned aerial vehicle, UAV)模型是通過對復(fù)雜型面組件的3D掃描和對規(guī)則型面部件在CATIA中測量建模完成,復(fù)雜型面組件包括機(jī)殼、槳葉和電池,規(guī)則型面部件包括電機(jī)、相機(jī)和內(nèi)部電路板等,因此無人機(jī)的建模質(zhì)量主要取決于復(fù)雜曲面部件的建模精度。用建模體與掃描點云數(shù)據(jù)之間的距離表征模型誤差的大小,如圖1所示。電池和槳葉的構(gòu)型建模誤差在1 mm以內(nèi),機(jī)身的構(gòu)型建模誤差在1.5 mm以內(nèi)。

(a) 電池構(gòu)型建模誤差

無人機(jī)主要部件建模后,在PAM-CRASH軟件中完成部件定位連接、材料屬性賦予和動態(tài)接觸及載荷參數(shù)設(shè)置等前處理工作,最終形成無人機(jī)有限元計算模型,如圖2所示。其主要組成部件材料及重量分布如表1所示。從圖2和表1可知,電機(jī)、電池和相機(jī)云臺是無人機(jī)的大質(zhì)量部件,體積小密度大,約占了總質(zhì)量的2/3。仿真模型中電機(jī)、電池、電路板以及相機(jī)均被處理為均質(zhì)化物體,并由solid單元離散化;機(jī)殼、槳葉均由shell單元離散化。無人機(jī)模型中solid單元與shell單元的總數(shù)量分別為5 044和8 900。

表1 無人機(jī)主要組成部件材料及重量分布

(a) UAV實物圖

在PAM-CRASH碰撞仿真中,選取帶失效的彈塑性材料模型來描述6061-T6鋁合金的力學(xué)行為,其塑性響應(yīng)用可以反映金屬等材料應(yīng)變硬化效應(yīng)、應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)及溫度軟化效應(yīng)的Johnson-Cook本構(gòu)模型描述[20]

表2 Johnson-Cook本構(gòu)模型參數(shù)

根據(jù)Sahraei等[22-23]的研究,Li-Po電池單元的力學(xué)行為可以用可壓縮泡沫模型來表征,其部分材料力學(xué)性能參數(shù)如表3所示。無人機(jī)的機(jī)身殼體和槳葉部件均采用一般的彈塑性材料模型,PC材料參數(shù)如表4所示[24]。無人機(jī)電路板的材料被假設(shè)為玻璃-環(huán)氧復(fù)合材料,其材料力學(xué)性能參數(shù)由Ravi-Chandar等[25]測量并由ASSURE團(tuán)隊進(jìn)行總結(jié)得到,如表5所示。

表3 Li-Po電池單元力學(xué)性能參數(shù)

表4 PC材料力學(xué)性能參數(shù)

表5 玻璃-環(huán)氧樹脂復(fù)合材料力學(xué)性能參數(shù)

對于無人機(jī)部件之間的連接,本文做了以下考慮:由于缺乏準(zhǔn)確的參考,本文中無人機(jī)部件之間的連接約束由tie約束以及共節(jié)點的方式來表示,其中tie約束的失效強(qiáng)度根據(jù)合理假設(shè)、試驗結(jié)果來設(shè)置并修正。

2 飛機(jī)風(fēng)擋有限元建模

飛機(jī)主風(fēng)擋玻璃是最大的迎風(fēng)面結(jié)構(gòu)件,被外物撞擊的概率非常高。某型商用飛機(jī)的主風(fēng)擋為無機(jī)鋼化玻璃,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)力處于一種平衡狀態(tài),無法使用鉚接或螺接安裝,而使用壓板進(jìn)行密封安裝;該風(fēng)擋玻璃由三層玻璃和兩層夾層膜組成,三層玻璃為無機(jī)化學(xué)鋼化玻璃材料,兩層夾層結(jié)構(gòu)為有機(jī)材料(PU和PVB),風(fēng)擋周圍采用硅橡膠包邊,如圖3和圖4所示。其中L1為第一層玻璃(外層非承力結(jié)構(gòu)層),厚度為3 mm;L2和L3為第二玻璃(即中間承力結(jié)構(gòu)層)和第三層玻璃(內(nèi)層承力結(jié)構(gòu)層),厚度分別為8 mm和6 mm;PU和PVB為膠層,厚度分別為4 mm和1.5 mm。

圖4 風(fēng)擋主要組成部件

為更真實地模擬風(fēng)擋與無人機(jī)撞擊的實際工況,建立某型商用飛機(jī)的全尺寸機(jī)頭結(jié)構(gòu)模型(包含主風(fēng)擋部件)。風(fēng)擋幾何模型來自于某制造商,并在此基礎(chǔ)上用實體單元離散化風(fēng)擋各層結(jié)構(gòu),所有實體單元均為八節(jié)點縮減積分單元,單個單元邊長約7 mm,總單元數(shù)為267 006。仿真模型中風(fēng)擋四周通過硅膠壓條與邊框進(jìn)行彈性連接,風(fēng)擋玻璃及PU和PVB各層之間有膠膜進(jìn)行粘結(jié),并根據(jù)試驗結(jié)果適當(dāng)調(diào)整風(fēng)擋組成部件之間的連接強(qiáng)度和失效參數(shù)。盡管機(jī)頭本體(除風(fēng)擋外)建模對無人機(jī)撞擊風(fēng)擋的損傷沒有較大影響,但為了保證飛機(jī)機(jī)頭結(jié)構(gòu)模型的完整性,對機(jī)頭本體(除風(fēng)擋外)進(jìn)行了建模,建模細(xì)節(jié)可參見本項目組前期研究成果[26],全尺寸機(jī)頭結(jié)構(gòu)模型(含風(fēng)擋及邊框支撐結(jié)構(gòu))如圖5所示。仿真過程中機(jī)頭底部結(jié)構(gòu)進(jìn)行六自由度約束。

(a) 某型飛機(jī)機(jī)頭實物

根據(jù)文獻(xiàn)[27]中對航空無機(jī)玻璃力學(xué)性能的試驗研究結(jié)果,玻璃的Stress-Strain曲線由彈性階段和失效階段組成,當(dāng)應(yīng)力提高到一定水平后,玻璃試驗件斷裂,隨后應(yīng)力陡然下降,屬于很明顯的脆性材料,因此本文選取彈塑性本構(gòu)來描述其力學(xué)性能。由文獻(xiàn)[27]表明,無機(jī)玻璃的強(qiáng)度對應(yīng)變率較為敏感,本文中的無機(jī)玻璃表面經(jīng)化學(xué)鋼化處理后,其表面強(qiáng)度將大幅提高,但由于缺乏表面離子交換層的高應(yīng)變率下力學(xué)性能數(shù)據(jù),因此保守估計其失效刪除塑性應(yīng)變?nèi)?.001,屈服強(qiáng)度則根據(jù)撞擊試驗結(jié)果進(jìn)行了合理修正。文獻(xiàn)[28]給出了PU膠層以及PVB膠層的動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線,同樣選用彈塑性材料模型近似地描述其力學(xué)行為。風(fēng)擋組件的各類材料性能參數(shù),如表6所示。

表6 主風(fēng)擋材料性能參數(shù)

3 無人機(jī)與飛機(jī)風(fēng)擋碰撞工況

為研究經(jīng)過抗鳥撞適航驗證的某型運(yùn)輸類飛機(jī)的主風(fēng)檔抵抗無人機(jī)高速撞擊的性能,設(shè)定無人機(jī)與飛機(jī)的相對撞擊速度也為150 m/s。該型無人機(jī)的平均水平飛行速度約為20 m/s,則飛機(jī)的飛行速度約為130 m/s。根據(jù)該型飛機(jī)的設(shè)計特征和飛行性能,該速度對應(yīng)飛機(jī)飛行高度約為3 000 m,滿足中國民用航空規(guī)章CCAR91.117(a)中的有要求:“除經(jīng)局方批準(zhǔn)外,航空器駕駛員不得在修正海平面氣壓高度3 000 m(10 000英尺)以下以大于250節(jié)的指示空速運(yùn)行航空器”。盡管該型旋翼無人機(jī)的現(xiàn)有飛行限高僅為500 m,但對于其他固定翼無人機(jī)來說完全有可能超過3 000 m飛行高度,且本文中的輕型無人機(jī)也作為歐美國家用于高速碰撞試驗的常見無人機(jī)代表進(jìn)行分析研究和驗證。

根據(jù)風(fēng)擋玻璃生產(chǎn)商的設(shè)計和飛機(jī)制造商運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn),最外層非承力結(jié)構(gòu)玻璃可以有一定程度的破裂,但不影響飛行視線;中間層和最內(nèi)層承力結(jié)構(gòu)玻璃均不允許有破裂,特別是最內(nèi)層玻璃一旦有破裂,將對設(shè)備和人員產(chǎn)生損傷威脅。因此,飛機(jī)風(fēng)擋損傷程度劃分依次分別為最外層玻璃破裂(安全的)、中間層玻璃破裂(危險的)和最內(nèi)層玻璃破裂(災(zāi)難性的)。

飛機(jī)左右兩側(cè)主風(fēng)擋不同位置與水平飛行姿態(tài)的無人機(jī)撞擊典型試驗工況及試驗與仿真結(jié)果的對比(包括損傷尺寸、應(yīng)變測量值以及典型時刻無人機(jī)狀態(tài))詳見參考文獻(xiàn)[16]中所述。試驗結(jié)果驗證了仿真模型的一定合理性,本文在此基礎(chǔ)上利用仿真模型開展無人機(jī)撞擊風(fēng)擋不同位置的損傷影響分析。飛機(jī)主風(fēng)擋的邊角位置由于存在銳變曲面容易產(chǎn)生應(yīng)力集中,主風(fēng)擋的中心位置區(qū)域由于缺少飛機(jī)本體支撐結(jié)構(gòu)而容易受力變形,同時考慮到風(fēng)擋邊緣與駕駛艙框結(jié)構(gòu)的連接強(qiáng)度問題,本文中共選取如圖6重心位置對準(zhǔn)撞擊點,并以水平姿態(tài)和150 m/s速度沿飛機(jī)逆航向撞擊飛機(jī)風(fēng)擋。

(a) 無人機(jī)撞擊風(fēng)擋的不同位置

4 風(fēng)擋不同位置的損傷影響分析

4.1 撞擊仿真結(jié)果

根據(jù)上述撞擊工況,最終仿真結(jié)果都只有第一層風(fēng)擋玻璃產(chǎn)生破損,其余兩層風(fēng)擋玻璃均無損傷,PU和PVB層都產(chǎn)生了一定程度的形變,但也都沒有破損。上述9種工況下第一層風(fēng)擋玻璃的損傷情況如圖7所示。

圖7 各撞擊點第一層風(fēng)擋玻璃的損傷

從圖7可知,撞擊點2、點3、點5、點6、點9五個位置的損傷程度明顯大于其他位置,風(fēng)擋中間位置和靠近中間立柱的邊角位置是其較薄弱區(qū)域,且Phantom 4 Pro無人機(jī)對飛機(jī)風(fēng)擋上述撞擊點周邊也產(chǎn)生較大范圍內(nèi)損傷。

4.2 撞擊損傷機(jī)理

本節(jié)對典型代表性位置不同損傷程度的產(chǎn)生過程及損傷機(jī)理進(jìn)行分析。對于撞擊點1,其第一層風(fēng)擋在撞擊過程中的接觸力和能量變化曲線如圖8和圖9所示。圖8中風(fēng)擋產(chǎn)生破損和擴(kuò)展時,均為無人機(jī)的集中質(zhì)量部件與風(fēng)擋碰撞接觸的時刻。無人機(jī)在高速撞擊風(fēng)擋過程中,無人機(jī)的動能轉(zhuǎn)化為無人機(jī)自身的動能、內(nèi)能和風(fēng)擋的動能和內(nèi)能。對風(fēng)擋而言,第一層風(fēng)擋的動能變化幅度較小,這是由于風(fēng)擋在四周固支的約束下可移動的位移只有風(fēng)擋的整體變形和固支結(jié)構(gòu)的變形,而風(fēng)擋玻璃是鋼化脆性無機(jī)材料,屈服強(qiáng)度很大,撞擊過程中風(fēng)擋整體位移很小,且固支結(jié)構(gòu)可允許的變形也很小。因此,無人機(jī)損失的能量主要轉(zhuǎn)化為風(fēng)擋的內(nèi)能,從而使風(fēng)擋產(chǎn)生破壞。約在2.3 ms時刻第一層風(fēng)擋玻璃損傷基本不再擴(kuò)展,見圖9。此時該層風(fēng)擋的內(nèi)能也達(dá)到最大值。從圖8和圖9的對比可知,在接觸力最大的時刻(約1.6 ms)風(fēng)擋動能也基本達(dá)到最大值。

圖8 撞擊點1無人機(jī)與風(fēng)擋的撞擊接觸力變化曲線

圖9 撞擊點1外層風(fēng)擋玻璃的能量變化曲線

對于風(fēng)擋中間位置的典型撞擊點5,其在撞擊過程中的接觸力和能量變化曲線如圖10和圖11所示。圖10中無人機(jī)的相機(jī)開始與風(fēng)擋接觸并隨即產(chǎn)生破損;隨后無人機(jī)機(jī)臂接觸風(fēng)擋并產(chǎn)生變形,隨即電機(jī)撞擊接觸風(fēng)擋并產(chǎn)生破壞;在相機(jī)和電機(jī)的持續(xù)撞擊作用下,風(fēng)擋損傷不斷擴(kuò)展,直至第二次接觸力峰值(約0.9 ms)時刻。當(dāng)電池殼體開始撞擊接觸風(fēng)擋時又產(chǎn)生破損。在電池殼體及電池持續(xù)撞擊風(fēng)擋達(dá)到第三次接觸力峰值時(約1.6 ms),電池逐漸沿著風(fēng)擋表面滑走,但風(fēng)擋損傷繼續(xù)擴(kuò)展,直至2.4 ms時刻,此時風(fēng)擋對應(yīng)內(nèi)能也達(dá)到最大值,見圖11。從圖10和圖11的對比可知,在接觸力最大的時刻風(fēng)擋動能達(dá)到最大值。

圖10 撞擊點5無人機(jī)與風(fēng)擋的撞擊接觸力變化曲線

圖11 撞擊點5最外層風(fēng)擋玻璃的能量變化曲線

其余撞擊點2、點3、點4、點6、點7、點8和點9位置不再詳細(xì)分析其撞擊過程,總體來說:各撞擊點在碰撞過程中分別經(jīng)歷相機(jī)、電機(jī)和電池的相繼撞擊和持續(xù)撞擊,在相機(jī)、電機(jī)、電池分別與風(fēng)擋撞擊接觸時都會產(chǎn)生接觸力峰值,并隨即對風(fēng)擋造成破損,在后續(xù)持續(xù)撞擊接觸中,損傷進(jìn)一步擴(kuò)大。當(dāng)風(fēng)擋內(nèi)能達(dá)到最大時,損傷基本停止擴(kuò)展。因此,由于無人機(jī)的大質(zhì)量部件的分散性布局,導(dǎo)致在撞擊過程中出現(xiàn)明顯的間隙性接觸力峰值;整個撞擊過程中接觸力最大時刻對應(yīng)風(fēng)擋最大的動能;風(fēng)擋最終的損傷程度取決于其內(nèi)能的最大值。上述9個撞擊位置的風(fēng)擋內(nèi)能變化如圖12所示。其最大內(nèi)能值與圖7中的損傷結(jié)果趨勢基本一致。

圖12 各撞擊點外層風(fēng)擋玻璃的內(nèi)能變化曲線

從圖12可知,撞擊點2、點3、點5、點6和點9對應(yīng)的第一層風(fēng)擋玻璃在撞擊過程中的內(nèi)能明顯大于點1、點4、點7和點8;對照圖7中各撞擊點第一層風(fēng)擋玻璃的損傷結(jié)果,說明風(fēng)擋吸收的內(nèi)能大小決定了最終的損傷結(jié)果,尤其是撞擊點4,其風(fēng)擋最大內(nèi)能處于其他各撞擊點最大內(nèi)能的中間狀態(tài),其最終的損傷程度也小于點2、點3、點5、點6和點9而大于點1、點7和點8。因此,大致可認(rèn)為風(fēng)擋吸收的最大內(nèi)能越大造成的損傷越嚴(yán)重,且由于風(fēng)擋玻璃與膠膜的粘附作用,使得破損后風(fēng)擋玻璃內(nèi)能不會馬上劇降。

在撞擊過程中,無人機(jī)的初始動能逐漸轉(zhuǎn)化為無人機(jī)離散部件的動能和內(nèi)能以及風(fēng)擋的動能和內(nèi)能,由于風(fēng)擋結(jié)構(gòu)的堅硬性和脆性,作用于風(fēng)擋結(jié)構(gòu)上的動能和內(nèi)能部分轉(zhuǎn)化為風(fēng)擋周邊加持結(jié)構(gòu)的動能和內(nèi)能,其余的動能和內(nèi)能使得風(fēng)擋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形和破損,且由于風(fēng)擋及其周邊加持結(jié)構(gòu)的固支作用,一般情況下動能較小,只需考慮風(fēng)擋及其周邊加持結(jié)構(gòu)的內(nèi)能。對于風(fēng)擋來說,周邊加持結(jié)構(gòu)的吸能能力越大,自身殘余的內(nèi)能越小,產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)損傷程度也越弱;反之亦然。因此,本節(jié)從風(fēng)擋及其周邊加持結(jié)構(gòu)在撞擊過程中的內(nèi)能變化來分析不同撞擊位置的損傷程度差異性。風(fēng)擋周邊夾持結(jié)構(gòu)如圖13所示。主要包含密封結(jié)構(gòu)和固支結(jié)構(gòu);各個撞擊點在撞擊過程中的周邊加持結(jié)構(gòu)的內(nèi)能曲線如圖14所示。

圖13 風(fēng)擋周邊固支結(jié)構(gòu)

圖14 風(fēng)擋周邊固支結(jié)構(gòu)內(nèi)能變化曲線

從圖14可知,風(fēng)擋上部撞擊點1、點2和點3在沖擊過程中周邊加持結(jié)構(gòu)吸能的能量最多,風(fēng)擋下部撞擊點7、點8和點9在沖擊過程中周邊加持結(jié)構(gòu)吸收的能量次之,風(fēng)擋中部兩側(cè)撞擊點4和點6在沖擊過程中周邊加持結(jié)構(gòu)吸收的能量再減,而風(fēng)擋正中間撞擊點5在沖擊過程中周邊加持結(jié)構(gòu)吸收的能量最少;同時,撞擊點靠近上下邊框時,邊框吸收能量的速度較快;而撞擊點遠(yuǎn)離邊框位置(如撞擊點5),其邊框吸收的能量較慢且少,這很有可能是造成風(fēng)擋中間位置損傷最為嚴(yán)重的主要原因之一。從風(fēng)擋周邊加持結(jié)構(gòu)各組成部件的能量曲線如圖15所示。以撞擊點1和點5為例)可知,風(fēng)擋邊緣的硅橡膠包邊、風(fēng)擋與包邊之間的密封條和壓條是主要吸能材料,均具有良好的可壓縮、延展性和吸能作用,其與風(fēng)擋的結(jié)構(gòu)安裝位置,如圖16所示。

圖15 撞擊點1和5風(fēng)擋周邊夾持結(jié)構(gòu)部件內(nèi)能曲線

無人機(jī)在與風(fēng)擋撞擊過程中,除第一層風(fēng)擋玻璃外,另外兩層風(fēng)擋玻璃和PU、PVB層材料也具有吸能作用,如圖17所示(以撞擊點5為例)。

圖17 各風(fēng)擋層和周邊夾持結(jié)構(gòu)內(nèi)能曲線(P5位置)

從圖17可知,除了直接受到撞擊的最外層風(fēng)擋玻璃外,與其粘結(jié)的PU層材料幾乎同步持續(xù)吸收能量,在最外側(cè)風(fēng)擋玻璃達(dá)到最大能量時(峰值分界線),PU層材料的能量也基本穩(wěn)定,并產(chǎn)生永久性變形;其他風(fēng)擋玻璃層和PVB層在出現(xiàn)短時能量小幅度增長以后快速恢復(fù)到較小的殘余能量,因此PU在撞擊過程的開始階段(峰值分界線左側(cè))是主要吸能結(jié)構(gòu),但由于最外側(cè)風(fēng)擋的硬化和脆性特征,在承受能量急劇增大的同時,開始產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞,當(dāng)風(fēng)擋的能量達(dá)到最大幅值時,風(fēng)擋損傷也擴(kuò)展到最大程度;而周邊加持結(jié)構(gòu)的能量在風(fēng)擋的能量達(dá)到最大幅值之前(分界線1至峰值分界線)開始快速增加,當(dāng)風(fēng)擋的能量由最大幅值開始下降時,夾持結(jié)構(gòu)的能量繼續(xù)快速增加,直至分界線2對應(yīng)的時刻,風(fēng)擋的能量均已基本穩(wěn)定,而后夾持持結(jié)構(gòu)的能量緩慢上升。這可能是由于能量從風(fēng)擋傳遞到夾持結(jié)構(gòu)的時間差造成。

從上述分析可知,無人機(jī)與風(fēng)擋不同位置撞擊產(chǎn)生的損傷危害性有一定差異,風(fēng)擋中間位置和靠近中間立柱位置是其較薄弱區(qū)域,且從撞擊點周邊夾持結(jié)構(gòu)的能量曲線比較來看,風(fēng)擋中間位置最容易受到損傷,且在相同的工況下?lián)p傷最嚴(yán)重。文獻(xiàn)[16]中的試驗結(jié)果也證明了這種趨勢。

5 結(jié) 論

本文通過碰撞仿真方法開展了飛機(jī)風(fēng)擋的不同位置區(qū)域與典型輕型無人機(jī)高速撞擊損傷機(jī)理研究,主要結(jié)論如下:

(1) 總體來說,風(fēng)擋的中間位置和靠中間立柱的邊角位置在遭受無人機(jī)撞擊過程中承受的能量較大,易出現(xiàn)損傷,故都是較為薄弱的區(qū)域;同時由于風(fēng)擋中間位置在受撞擊過程中傳遞給周邊夾持結(jié)構(gòu)的能量相對較少,更容易產(chǎn)生嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)破損。

(2) 無人機(jī)的電池、電機(jī)、相機(jī)等大質(zhì)量部件是造成風(fēng)擋破損的主要來源,風(fēng)擋玻璃吸收的內(nèi)能大小與其損傷程度具有正相關(guān)趨勢,在一定程度上可以表征其損傷程度。

(3) 無人機(jī)以正常平飛姿態(tài)和飛機(jī)巡航速度撞擊經(jīng)過適航驗證的飛機(jī)風(fēng)擋結(jié)構(gòu)時,風(fēng)擋玻璃整體仍然是安全的。

后續(xù)需在風(fēng)擋精細(xì)化仿真建模和風(fēng)擋損傷定量評估方面繼續(xù)開展研究;同時由于無人機(jī)的組成部件和構(gòu)型設(shè)計不同于鳥體的相關(guān)特征,無人機(jī)以不同飛行姿態(tài)高速撞擊風(fēng)擋的安全-損傷等情況也需進(jìn)一步研究。