鳥撞導致鉚釘失效的試驗研究

劉海

（中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001）

隨著鳥撞數值仿真模擬方法的成熟，仿真結果與試驗結果吻合度越來越好。這使得在抗鳥撞結構設計中，數值模擬方法日益受到重視。仿真結果已用于在研制中指導結構設計和試驗驗證，這對仿真結果的準確性提出了較高要求。準確可信的數值仿真可以大幅節省研制費用，縮短研制周期，糟糕的數值仿真則可能引起設計反復、試驗失敗、制造成本提高、設計周期延長等嚴重后果。因此，鳥撞仿真結果的正確性至關重要。

大多關于鳥撞的仿真研究專注于鳥體參數、材料本構和失效模型、仿真數值方法等，這些工作推動了鳥撞仿真技術的進步。但在仿真中，對連接鉚釘的力學特性和失效缺乏關注。謝燦軍在仿真中考慮了鉚釘的影響。但目前缺乏元組件級試驗研究。

本文通過試驗證實了鉚釘斷裂是鳥撞中結構的失效形式之一，在仿真中應當予以考慮。首先，通過鳥撞數值仿真設計試驗中所選擇的鋁合金板厚度、鉚釘直徑、鳥撞速度等參數，使試驗中鉚釘會發生破壞。然后，進行試驗并對結果進行分析。

1 試驗參數的確定

1.1 確定試驗參數的方法

為使鳥撞后鉚釘失效，需要預估鋁合金板的破壞情況和鉚釘載荷用以設計試驗中所選擇的鋁合金板厚度、鉚釘直徑、鳥撞速度等參數。為防止因鋁合金板破損而導致鉚釘載荷偏小，要求鋁合金板不發生破損。通過數值仿真的方法對鋁合金板的破壞情況和鉚釘載荷進行計算。

為保證仿真模型的正確性，對仿真結果得到的位移和應變數據與試驗進行對比。用于與仿真結果對比的試驗組為鋁合金板未被擊穿，鉚釘也未發生明顯破壞的試驗組。將經過試驗結果確認的仿真模型用于計算鋁合金板的破壞情況和鉚釘載荷。

1.2 數值仿真方法

圖1為建立的數值仿真模型，主要包括鋁合金板、鳥體和連接件。

圖1 數值仿真模型

鋁合金板及連接過渡段使用殼單元模擬。鋁合金材料采用Johnson-Cook模型。Johnson-Cook模型具有材料參數物理意義明確，材料參數相對簡單，通用性強等優點，能反映應變硬化、應變率強化效應，適用于描述金屬材料在大變形、高應變率下的變形和失效行為。

鳥體模型為半圓頭圓柱體，鳥體重量為1.0kg，鳥體長度為184mm，直徑為92mm。鳥體使用光滑粒子流體動力學(Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH)法模擬。SPH方法將鳥體簡化為流體粒子的集合，不同粒子具有自己的質量、速度和能量，相關的插值點不依賴網格，解決了網格畸變問題，適合處理鳥體大變形的問題，能較好地模擬鳥撞過程中的鳥體破碎、飛濺。

1.3 試驗方法

試驗件為鋁合金薄板，圖2所示為試驗臺架。試驗件上安裝有應變片，為避免應變片超量程或被撞擊失效，應變片位置偏離撞擊中心150mm。試驗件安放在高度和左右位置可以調節的平臺上。試驗是用1kg鳥彈撞擊試驗件中心。試驗設備由發射系統（空氣炮）、試驗靶架系統（試驗臺和防護屏）、激光測速系統、應變測量系統和高速攝像系統組成。

撞擊點為薄板中心，調整試驗臺高度和位置，使空氣炮能夠瞄準撞擊點。選擇稱重為1kg的鳥體，包扎為與仿真模型中一樣的尺寸。為避免鋁合金板破裂，撞擊速度為320km/h。

圖2 鳥撞試驗臺架

1.4 仿真結果與試驗對比

由于試驗中存在不可避免的撞擊姿態、撞擊位置和撞擊速度偏差，將仿真模型中的鳥體撞擊姿態、撞擊位置和撞擊速度調整為與試驗實測值一致。為避免被試驗數據的分散性影響，進行了至少2次同樣的試驗。

圖3為仿真效果與試驗對比圖。圖4為薄板中心位移對比圖，圖5為薄板上應變對比圖。

圖3 仿真效果與試驗對比

圖4 薄板中心位移對比

圖5 薄板應變對比

從圖4和圖5可知，仿真得到的位移時程曲線和應變時程曲線與試驗基本吻合。仿真得到的位移峰值與試驗位移峰值平均值的誤差在4%內，應變峰值與試驗應變峰值平均值的誤差在10%內，誤差小于試驗測量本身的分散性。對比結果表明，該數值仿真模型精度高，能用于模擬確定鋁合金板的破壞情況和鉚釘所受載荷。

1.5 試驗參數

調整模型中的鳥撞速度、鉚釘直徑和鋁合金板厚度使鋁合金板不破損，但鉚釘載荷大至能使鉚釘發生失效。結合試驗條件確定鳥撞速度468km/h，鉚釘直徑5mm，鋁合金板厚2.0mm。

2 試驗及結果分析

撞擊后，鋁合金板變形和鉚釘破壞情況見圖6。撞擊后鋁合金板出現的明顯變形，但未發生破損，連接鉚釘部分發生斷裂，部分發生松動或塑性變形。這明確了鉚釘破壞是鳥撞導致的結構失效模式之一。在仿真分析中，應充分考慮鉚釘破壞或變形對結果的影響。

圖6 撞擊后鋁合金板變形和鉚釘破壞情況

3 結論與展望

通過設計并實施薄板結構的鳥撞試驗，驗證了鉚釘失效是鳥撞導致的結構失效模式之一。這表明為提供足夠精確的鳥撞仿真結論，應充分考慮鉚釘力學特性的影響，否則，不準確的仿真數據無法指導結構設計。同時，通過該元組件級試驗，為進一步分析研究鉚釘失效機理、失效判據等積累了數據。