飛機(jī)機(jī)翼內(nèi)墊曲線式褶皺夾層結(jié)構(gòu)的抗鳥(niǎo)撞性能研究

張 煌,李耀明,原梅妮

(1.中北大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 太原 030051; 2.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 太原 030051)

1 引言

軍用飛機(jī)在高空運(yùn)行過(guò)程中常與鳥(niǎo)類(lèi)發(fā)生碰撞而造成嚴(yán)重傷害事故。自1903年飛機(jī)進(jìn)入人類(lèi)世界后，軍用飛機(jī)鳥(niǎo)撞事故不斷。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近年來(lái)全世界每年大約發(fā)生千余次“鳥(niǎo)撞”事故。正是由于鳥(niǎo)撞事故對(duì)機(jī)體結(jié)構(gòu)和人員安全帶來(lái)嚴(yán)重危害，我國(guó)近年先后制定了各種抗鳥(niǎo)撞軍標(biāo)、航標(biāo)和規(guī)范，分別對(duì)軍機(jī)的風(fēng)擋、機(jī)翼、尾翼的鳥(niǎo)撞設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、鳥(niǎo)重、驗(yàn)證方法等作了具體規(guī)定。

鳥(niǎo)撞試驗(yàn)是采用空氣炮裝置，利用壓縮空氣驅(qū)動(dòng)做成炮彈狀的家雞或者人工鳥(niǎo)(簡(jiǎn)稱鳥(niǎo)彈)，沿著炮管加速至要求的速度后撞擊飛機(jī)考核結(jié)構(gòu)，鳥(niǎo)彈飛行速度由激光測(cè)量。關(guān)于機(jī)翼鳥(niǎo)撞問(wèn)題，部分學(xué)者采用了仿真分析和鳥(niǎo)撞試驗(yàn)相結(jié)合方法。如任冀賓采用非線性動(dòng)力學(xué)軟件PAM-CRASH和鳥(niǎo)撞試驗(yàn)結(jié)合優(yōu)化了某型飛機(jī)機(jī)翼前緣結(jié)構(gòu)，不僅使該結(jié)構(gòu)滿足抗鳥(niǎo)撞性能，且實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重30%。王會(huì)利采用非線性動(dòng)力學(xué)軟件PAM-CRASH和鳥(niǎo)撞試驗(yàn)結(jié)合獲取復(fù)合材料機(jī)翼前緣結(jié)構(gòu)抗鳥(niǎo)撞應(yīng)變力曲線和撞擊力曲線，并優(yōu)化其結(jié)構(gòu)。劉永強(qiáng)等通過(guò)鳥(niǎo)撞試驗(yàn)和仿真分析對(duì)復(fù)合面板蜂窩夾芯材料、鋁合金材料、金屬面板蜂窩夾芯材料、Glare層板蒙皮進(jìn)行吸能對(duì)比，得出4種材料的抗鳥(niǎo)撞性能優(yōu)劣排序?yàn)椋篏lare蒙皮、金屬面板蜂窩夾芯、復(fù)合面板蜂窩夾芯、鋁合金。鳥(niǎo)撞試驗(yàn)花費(fèi)昂貴，大部分學(xué)者們?cè)邙B(niǎo)撞仿真分析方面開(kāi)展了大量研究工作。

對(duì)于機(jī)翼鳥(niǎo)撞問(wèn)題，已有學(xué)者做了一些研究。如杜龍采用歐拉-拉格朗日方法研究了某型無(wú)人機(jī)機(jī)翼前緣的鳥(niǎo)撞問(wèn)題，研究了鳥(niǎo)體速度、密度、蒙皮鋪層等對(duì)鳥(niǎo)撞動(dòng)態(tài)響應(yīng)等一系列問(wèn)題。米保衛(wèi)等研究得出張力蒙皮可有效提高機(jī)翼抗鳥(niǎo)撞性能。陳衛(wèi)峰等對(duì)不同鋪層的Glare層合蒙皮進(jìn)行了抗鳥(niǎo)撞分析，結(jié)果表明3/4構(gòu)型的Glare層合蒙皮抗鳥(niǎo)撞性能最優(yōu)。孔令勇等采用大型商用軟件Pam-crash對(duì)某復(fù)合材料尾翼結(jié)構(gòu)抗鳥(niǎo)撞性能進(jìn)行了分析，開(kāi)展了復(fù)合材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)試本構(gòu)模型參數(shù)的標(biāo)定。霍雨佳等以某型無(wú)人機(jī)復(fù)合材料機(jī)翼前緣為對(duì)象，采用有限元方法分析機(jī)翼前緣結(jié)構(gòu)在鳥(niǎo)體撞擊下的損傷特征等。王富生等在鳥(niǎo)撞數(shù)值仿真中根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果采用優(yōu)化反演方法實(shí)現(xiàn)鳥(niǎo)體參數(shù)確定。這些抗鳥(niǎo)撞設(shè)計(jì)多集中于復(fù)合材料和內(nèi)嵌斜支板結(jié)構(gòu)，而金屬折疊式夾層板具有良好的吸能特性，已用于船舶耐撞，抗爆防護(hù)等領(lǐng)域。張延昌等對(duì)折疊式夾層板橫向壓皺吸能特性和抗撞擊性能進(jìn)行研究，得出折疊式夾層結(jié)構(gòu)在橫向壓縮和碰撞載荷作用下具有良好吸能特性。叢立新等對(duì)改進(jìn)V-型復(fù)合褶皺夾芯結(jié)構(gòu)的壓縮性能進(jìn)行研究，研究發(fā)現(xiàn)相對(duì)密度變化不僅對(duì)該結(jié)構(gòu)力學(xué)性能產(chǎn)生影響，而且導(dǎo)致其破壞模式轉(zhuǎn)變。楊晶晶采用有限元方法研究了面板厚度、芯層壁厚等因素對(duì)鋁褶皺夾層板的抗低俗沖擊特性。熊健等概述了其研究團(tuán)隊(duì)復(fù)合材料點(diǎn)陣夾心結(jié)構(gòu)、褶皺夾芯結(jié)構(gòu)、蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的拓?fù)錁?gòu)型設(shè)計(jì)和制備工藝。但目前褶皺夾層結(jié)構(gòu)對(duì)于機(jī)翼蒙皮抗鳥(niǎo)撞設(shè)計(jì)的研究相對(duì)較少。本研究中提出一種內(nèi)墊曲線式褶皺夾層結(jié)構(gòu)，從蒙皮破損圖，蒙皮最大位移，吸能特性三方面對(duì)鋁合金內(nèi)墊褶皺蒙皮和鋁合金單蒙皮結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析對(duì)比。

2 內(nèi)墊曲線褶皺夾層蒙皮介紹

內(nèi)墊曲線褶皺夾層結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括有3層結(jié)構(gòu),外蒙皮、曲線褶皺夾層(以后統(tǒng)稱為褶皺夾層)、內(nèi)蒙皮三部分組成。機(jī)翼前緣是鳥(niǎo)撞事故破損最為嚴(yán)重區(qū)域，所以在機(jī)翼前緣部位設(shè)置褶皺夾層。其中內(nèi)蒙皮距外蒙皮間距設(shè)置為65 mm，內(nèi)蒙皮深度設(shè)置為450 mm，褶皺夾層距內(nèi)外蒙皮的間距設(shè)置為5 mm。由于機(jī)翼特殊的氣動(dòng)外形，褶皺夾層設(shè)計(jì)由1個(gè)主弧面、10個(gè)側(cè)弧面、10個(gè)支撐面組成。

其中外蒙皮保持機(jī)翼外表面的平整性和氣動(dòng)外形，是鳥(niǎo)撞事故的第一道防線。褶皺夾層在鳥(niǎo)撞事故主要呈現(xiàn)吸能特性，是鳥(niǎo)撞事故的第二道防線。內(nèi)蒙皮主要用于保護(hù)機(jī)翼內(nèi)部結(jié)構(gòu)，是鳥(niǎo)撞事故的最后一道防線。

圖1 內(nèi)墊曲線式褶皺夾層結(jié)構(gòu)Fig.1 The inner cushioned curved layer structure

3 鳥(niǎo)撞機(jī)翼有限元模型

3.1 鳥(niǎo)體模型

本文中基于ANSYS/LS-DYNA平臺(tái)采用Lagrange法將鳥(niǎo)體模型定義為兩端半球體，中間圓柱(球體半徑為0.05 m，中間圓柱長(zhǎng)為0.188 m)進(jìn)行模擬，質(zhì)量為1.81 kg。將鳥(niǎo)體模型定義為實(shí)體單元(SOLID164)劃分為4 224個(gè)單元，材料選用各向同性彈塑性材料。鳥(niǎo)體參數(shù)見(jiàn)表1所示。

表1 鳥(niǎo)體材料參數(shù)Table 1 Brid body material parameters

3.2 機(jī)翼模型

機(jī)翼模型選用NACA0010翼型，選取展長(zhǎng)600 mm，前緣長(zhǎng)度900 mm的單盒段進(jìn)行模擬見(jiàn)圖1所示。機(jī)翼采用SHELL163單元，機(jī)翼邊界采用固接，機(jī)翼材料選為2024-鋁合金材料，其材料參數(shù)見(jiàn)表2所示。

表2 鋁合金材料參數(shù)Table 2 Aluminum alloy material parameters

3.2.1 單蒙皮結(jié)構(gòu)

蒙皮厚度取3 mm，蒙皮劃分為12 000個(gè)單元，機(jī)翼模型參照?qǐng)D1的機(jī)翼模型建立。

圖2 鳥(niǎo)撞機(jī)翼模型Fig.2 Bird wing model

3.2.2 內(nèi)墊褶皺蒙皮結(jié)構(gòu)

內(nèi)、外蒙皮取2.5 mm，褶皺層取1.5 mm。將內(nèi)墊褶皺蒙皮結(jié)構(gòu)外蒙皮劃分為12 000個(gè)單元，褶皺層劃分為4 400個(gè)單元，內(nèi)蒙皮劃分為2 000個(gè)單元。

圖3 內(nèi)墊曲線式褶皺夾層結(jié)構(gòu)模型Fig.3 The structure model of the inner cushioned curve

4 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證所建立鳥(niǎo)撞模型的合理性。將試驗(yàn)中的鳥(niǎo)撞過(guò)程進(jìn)行模擬，其鳥(niǎo)體質(zhì)量為3.6 kg，蒙皮厚度2.5 mm，蒙皮材料為2024-Al。鳥(niǎo)撞速度為伊爾76飛機(jī)平飛的海平面速度。

結(jié)果顯示，模型在鳥(niǎo)撞過(guò)程中被穿透，形成一個(gè)“十”字形缺口，與試驗(yàn)中鋁合金蒙皮的穿透破損情況相同(見(jiàn)圖4)。可知所建鳥(niǎo)撞機(jī)翼有限元模型正確。

圖4 試驗(yàn)和仿真破損形狀對(duì)比Fig.4 The test is in contrast to the simulated damage

圖5為仿真與試驗(yàn)的鳥(niǎo)體動(dòng)能時(shí)間-變化曲線對(duì)比圖。在Ⅰ(0～2 ms)區(qū)鳥(niǎo)體撞擊到蒙皮上，蒙皮破損吸收能量，鳥(niǎo)體動(dòng)能不斷下降，到了Ⅱ(2～15 ms)鳥(niǎo)體穿透了蒙皮，動(dòng)能穩(wěn)定，將圖中仿真與試驗(yàn)的鳥(niǎo)體動(dòng)能-時(shí)間變化曲線對(duì)比，結(jié)果較為吻合，可得所建的鳥(niǎo)撞機(jī)翼有限元模型正確。

圖5 仿真與試驗(yàn)動(dòng)能-時(shí)間對(duì)比圖Fig.5 The simulation and experimental kinetic energy- time comparison chart

表3中試驗(yàn)中蒙皮吸能效率為18.7%，仿真中蒙皮吸能效率為17.7%。兩者相差僅為2%。可知所建的鳥(niǎo)撞機(jī)翼有限元模型正確。

綜上所述，本文中所建的鳥(niǎo)撞機(jī)翼有限元模型正確。

表3 仿真與試驗(yàn)吸能效率對(duì)比Table 3 The simulation and experimental energy absorption efficiency

5 2種結(jié)構(gòu)對(duì)比分析

本節(jié)對(duì)64.8 km/h、210 km/h、300 km/h、370 km/h四種速度下鋁合金內(nèi)墊曲線褶皺夾層結(jié)構(gòu)和鋁合金單蒙皮結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，并對(duì)2種結(jié)構(gòu)的鳥(niǎo)撞破損，外蒙皮最大位移，吸能特性3個(gè)方面進(jìn)行分析對(duì)比。結(jié)果顯示鋁合金內(nèi)墊褶皺蒙皮結(jié)構(gòu)有著較好的抗鳥(niǎo)撞性能。

5.1 鳥(niǎo)撞破損分析

圖6為4種速度下鋁合金單蒙皮結(jié)構(gòu)和鋁合金內(nèi)墊褶皺蒙皮結(jié)構(gòu)進(jìn)行了損傷對(duì)比圖。

圖6 10 ms時(shí)不同速度下2種結(jié)構(gòu)的鳥(niǎo)撞損傷圖Fig.6 The two kinds of structure under different speed of bird strike damage in 10 ms

由圖6可知，鋁合金單蒙皮結(jié)構(gòu)與鋁合金內(nèi)墊褶皺蒙皮結(jié)構(gòu)在64.8 km/h速度下鳥(niǎo)體均未擊穿鋁合金外蒙皮。在210 km/h速度下鳥(niǎo)體對(duì)鋁合金單蒙皮造成一定破壞形成了一個(gè)“十”字形缺口，鳥(niǎo)體未穿透單蒙皮，但鳥(niǎo)體碎片進(jìn)入機(jī)翼內(nèi)部；鋁合金內(nèi)墊褶皺夾層結(jié)構(gòu)外蒙皮產(chǎn)生輕微破損，內(nèi)蒙皮未產(chǎn)生破損，有效地保護(hù)了機(jī)翼內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在300 km/h速度下鳥(niǎo)體穿透鋁合金單蒙皮結(jié)構(gòu)，鳥(niǎo)體進(jìn)入機(jī)翼內(nèi)部；而鋁合金內(nèi)墊褶皺蒙皮結(jié)構(gòu)外蒙皮產(chǎn)生了“十”字形裂紋，內(nèi)蒙皮并未破損。在370 km/h速度下，鳥(niǎo)體直接穿透了蒙皮，在鋁合金外蒙皮上形成了一個(gè)較大缺口；而內(nèi)墊褶皺蒙皮結(jié)構(gòu)在外蒙皮形成了“十”字形缺口，內(nèi)蒙皮也產(chǎn)生了一個(gè)微小的缺口，但是鳥(niǎo)體未穿透褶皺結(jié)構(gòu)，有效保護(hù)了機(jī)翼內(nèi)部結(jié)構(gòu)。內(nèi)墊褶皺蒙皮結(jié)構(gòu)抗鳥(niǎo)撞性能良好的原因是鳥(niǎo)體撞擊在外蒙皮上，其撞擊力分散給褶皺層、內(nèi)蒙皮、外蒙皮，褶皺層在碰撞過(guò)程中吸收一部分鳥(niǎo)體動(dòng)能，有效提高了其抗鳥(niǎo)撞能力(見(jiàn)圖7)。

圖7 300 km/h速度下褶皺層破損圖Fig.7 300 km/h speed below the ruptured layer of the fold

5.2 蒙皮最大位移分析

表4為鳥(niǎo)撞擊速度分別為：64.8 km/h、210 km/h、300 km/h、370 km/h下，鋁合金內(nèi)墊褶皺夾層結(jié)構(gòu)外內(nèi)蒙皮最大位移和鋁合金單蒙皮最大位移情況。由表4可知：鋁合金內(nèi)墊褶皺夾層結(jié)構(gòu)外蒙皮最大位移均小于鋁合金單蒙皮結(jié)構(gòu)，在64.8 km/h的速度下，因速度較小，鳥(niǎo)體在外蒙皮與褶皺夾層的作用下被反彈出去，未接觸到內(nèi)蒙皮，所以內(nèi)蒙皮最大位移為0 mm。在210 km/h的速度下，鳥(niǎo)體撞擊外蒙皮上，外蒙皮產(chǎn)生了21.66 mm的位移，褶皺夾層吸收了一部分鳥(niǎo)體動(dòng)能向后移動(dòng)，使內(nèi)蒙皮產(chǎn)生較小位移(0.7 mm)。在300 km/h的速度下，因其速度較大，外蒙皮產(chǎn)生了較大位移，內(nèi)蒙皮產(chǎn)生了較大的位移(9.2 mm)。在370 km/h的速度下，速度進(jìn)一步提高，內(nèi)蒙皮最大位移達(dá)到了47mm，且外蒙皮最大位移已超過(guò)了原始內(nèi)外蒙皮的間距近30mm，說(shuō)明內(nèi)蒙皮已破損。

表4 不同速度下2種結(jié)構(gòu)蒙皮最大位移(mm)Table 4 The maximum displacement of the skin of two structures at different velocities

5.3 鳥(niǎo)體動(dòng)能變化分析

圖8為鳥(niǎo)撞擊速度分別為：64.8 km/h、210 km/h、300 km/h、370 km/h四種速度下鋁合金單蒙皮結(jié)構(gòu)和鋁合金內(nèi)墊褶皺蒙皮結(jié)構(gòu)下鳥(niǎo)體動(dòng)能-時(shí)間變化曲線。由圖8(a) 可知當(dāng)鳥(niǎo)撞速度為64.8 km/h時(shí)，鋁合金單蒙皮和鋁合金內(nèi)墊褶皺蒙皮結(jié)構(gòu)均出現(xiàn)回彈現(xiàn)象，且2種結(jié)構(gòu)下鳥(niǎo)體動(dòng)能減少為0 J的時(shí)間基本相同，單蒙皮結(jié)構(gòu)下鳥(niǎo)體剩余動(dòng)能為75 J，鋁合金內(nèi)墊褶皺蒙皮結(jié)構(gòu)下剩余動(dòng)能為14.3 J，所以鋁合金單蒙皮結(jié)構(gòu)吸收鳥(niǎo)體動(dòng)能少。由圖8 (b) 可知當(dāng)鳥(niǎo)撞速度為210 km/h時(shí)，鋁合金單蒙皮和鋁合金內(nèi)墊褶皺蒙皮結(jié)構(gòu)均出現(xiàn)了回彈現(xiàn)象，鋁合金內(nèi)墊褶皺蒙皮結(jié)構(gòu)鳥(niǎo)體動(dòng)能減少為0J的時(shí)間比鋁合金單蒙皮結(jié)構(gòu)早了近3 ms，鋁合金單蒙皮結(jié)構(gòu)下鳥(niǎo)體剩余動(dòng)能為246 J，鋁合金內(nèi)墊褶皺蒙皮結(jié)構(gòu)下剩余動(dòng)能為111 J，同樣鋁合金單蒙皮結(jié)構(gòu)吸收鳥(niǎo)體動(dòng)能少。由圖8 (c) 可知當(dāng)鳥(niǎo)撞速度為300 km/h時(shí)，鳥(niǎo)體穿透蒙皮進(jìn)入機(jī)翼內(nèi)部剩余動(dòng)能為915 J；而內(nèi)墊褶皺蒙皮結(jié)構(gòu)鳥(niǎo)體未穿透且產(chǎn)生回彈，鳥(niǎo)體向后彈出動(dòng)能為241 J。由圖8 (d) 可知當(dāng)鳥(niǎo)撞速度為370 km/h時(shí)，單蒙皮結(jié)構(gòu)被破壞，鳥(niǎo)體穿透蒙皮進(jìn)入機(jī)翼內(nèi)部動(dòng)能穩(wěn)定在2 760 J；而內(nèi)墊褶皺蒙皮結(jié)構(gòu)鳥(niǎo)體未穿透且產(chǎn)生回彈，鳥(niǎo)體向后彈出動(dòng)能為111 J。在63.8 km/h和210 km/h鳥(niǎo)體撞擊速度下鋁合金單蒙皮結(jié)構(gòu)與鋁合金內(nèi)墊褶皺蒙皮結(jié)構(gòu)鳥(niǎo)體均產(chǎn)生回彈現(xiàn)象，鋁合金單蒙皮結(jié)構(gòu)吸收的鳥(niǎo)體動(dòng)能較少；在300 km/h和370 km/h鳥(niǎo)體撞擊速度下，鋁合金單蒙皮結(jié)構(gòu)均被穿透，而鋁合金內(nèi)墊褶皺蒙皮結(jié)構(gòu)均未被擊穿，有效地保護(hù)了機(jī)翼內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖8 不同速度下鳥(niǎo)體動(dòng)能-時(shí)間變化圖Fig.8 The bird body under different speed kinetic energy-time variation

6 結(jié)論

本文中主要從蒙皮破損情況、外蒙皮最大位移、結(jié)構(gòu)吸能特性3個(gè)角度研究鋁合金內(nèi)墊曲線式褶皺夾層結(jié)構(gòu)和鋁合金單蒙皮結(jié)構(gòu)的抗鳥(niǎo)撞性能：

1) 當(dāng)鳥(niǎo)撞速度為300 km/h，鳥(niǎo)體穿透鋁合金單蒙皮結(jié)構(gòu)，而鋁合金內(nèi)墊褶皺蒙皮結(jié)構(gòu)外蒙皮產(chǎn)生了“十”字形裂紋，內(nèi)蒙皮并未破損。

2) 當(dāng)鳥(niǎo)撞擊鋁合金單蒙皮結(jié)構(gòu)和鋁合金內(nèi)墊褶皺夾層結(jié)構(gòu)，鋁合金內(nèi)墊褶皺夾層結(jié)構(gòu)外蒙皮最大位移遠(yuǎn)小于鋁合金單蒙皮結(jié)構(gòu)。如當(dāng)鳥(niǎo)撞速度為210 km/h，鋁合金單蒙皮結(jié)構(gòu)產(chǎn)生73.6 mm的位移，而鋁合金內(nèi)墊褶皺外蒙皮僅產(chǎn)生21.66 mm的位移。

3) 相對(duì)于鋁合金單蒙皮結(jié)構(gòu)，鋁合金內(nèi)墊褶皺夾層結(jié)構(gòu)吸收鳥(niǎo)體撞擊動(dòng)能大幅提高，有效保護(hù)了機(jī)翼內(nèi)部結(jié)構(gòu)。當(dāng)鳥(niǎo)撞速度為300 km/h時(shí)，鳥(niǎo)體穿透鋁合金單蒙皮進(jìn)入機(jī)翼內(nèi)部剩余動(dòng)能為915 J；而內(nèi)墊褶皺蒙皮結(jié)構(gòu)鳥(niǎo)體未穿透且產(chǎn)生回彈，鳥(niǎo)體向后彈出動(dòng)能為241 J。