張 宇，王彬文，白春玉，劉小川，郭 軍

（中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所 結(jié)構(gòu)沖擊動(dòng)力學(xué)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710065）

飛鳥、冰雹撞擊是威脅航空運(yùn)輸安全的主要因素之一。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，航空領(lǐng)域世界范圍內(nèi)每年因飛鳥和冰雹撞擊造成的損傷高達(dá)30億美元[1]。在我國，飛鳥和冰雹撞擊也占到飛機(jī)事故總數(shù)的1/3[2]。目前國際航空聯(lián)合會已把鳥撞列為“A”類航空災(zāi)難[3]。

針對學(xué)者們針對飛鳥撞擊開展了大量的研究，其中:劉永強(qiáng)等[4]采用數(shù)值分析方法研究了四種飛機(jī)蒙皮材料的抗鳥撞特性，發(fā)現(xiàn)Glare層板的抗沖擊能力最強(qiáng)；謝燦軍等[5]結(jié)合試驗(yàn)與數(shù)值分析方法，研究了飛機(jī)平尾前緣的抗鳥撞能力，并建立了積木式的實(shí)驗(yàn)、分析流程，為抗鳥撞設(shè)計(jì)提供有力參考；劉軍等[6]研究了1.8 kg和3.6 kg飛鳥撞擊LY12鋁板和鋼板，并記錄了鳥撞平板動(dòng)相應(yīng)變形的全過程；劉洋等[7]基于試驗(yàn)方法，研究了典型加筋板結(jié)構(gòu)抗鳥撞過程，并驗(yàn)證了筋條間距對結(jié)構(gòu)抗鳥撞性能的影響；王會利[8]通過實(shí)驗(yàn)與仿真研究了多種直升機(jī)斜梁前緣結(jié)構(gòu)抗鳥撞特性；李娜等[9]采用數(shù)值分析方法，設(shè)計(jì)優(yōu)化某型飛機(jī)平尾前緣抗鳥撞性能，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；賈建東[10]基于試驗(yàn)研究了風(fēng)擋玻璃的抗鳥撞特性，并基于SPH算法進(jìn)行仿真計(jì)算。相比較飛鳥撞擊研究工作，冰雹撞擊研究開展較少。其中:張曉晴等[11]研究了復(fù)合材料加筋壁板的抗冰雹沖擊響應(yīng)；陳星[12]基于ABAQUS軟件，系統(tǒng)性研究了冰雹外形、撞擊角度等對靶體的影響，但其主要研究沖擊過程中冰雹的變形破壞；黃興[13]介紹了航空飛行器冰雹沖擊研究進(jìn)展，包括試驗(yàn)研究、冰雹本構(gòu)模型以及數(shù)值分析等，其同樣關(guān)注的是冰雹本身的破壞過程。

基于上述的研究現(xiàn)狀，可看到學(xué)者們針對飛鳥撞擊航空器開展了大量的試驗(yàn)、數(shù)值分析工作，也得到了很多適用于工程的結(jié)論；在冰雹撞擊航空器研究方面，開展了平板實(shí)驗(yàn)及分析工作，未開展典型航空器結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)及分析研究；且部分研究主要關(guān)注冰雹本身的破壞過程，而非靶板的變形。同時(shí)，飛鳥和冰雹均屬于可變形軟體，其沖擊典型航空器結(jié)構(gòu)是一種復(fù)雜的、強(qiáng)非線性的高速撞擊，屬于同一類撞擊，且兩者密度近似；此外，飛鳥撞擊主要發(fā)生在飛機(jī)起飛、降落期間，冰雹撞擊主要發(fā)生在飛機(jī)巡航、降落期間，時(shí)間段重疊。因此，飛鳥和冰雹撞擊在一定程度上具有可比性。

飛鳥和冰雹主要威脅航空飛行器的機(jī)翼前緣、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣、發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片以及駕駛艙風(fēng)擋玻璃等結(jié)構(gòu)。本文以機(jī)翼前緣結(jié)構(gòu)為典型航空器結(jié)構(gòu)，開展飛鳥和冰雹撞擊典型航空器結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，研究典型航空器結(jié)構(gòu)抗冰雹、仿真鳥彈沖擊特性，并基于經(jīng)驗(yàn)證的數(shù)值分析模型，開展相同沖擊條件下典型航空器結(jié)構(gòu)抗冰雹、仿真鳥彈沖擊對比工作，研究飛鳥和冰雹撞擊的區(qū)別，為典型航空器結(jié)構(gòu)抗飛鳥、冰雹撞擊設(shè)計(jì)及標(biāo)準(zhǔn)制定提供基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)選取航空器典型水平安定面和機(jī)翼前緣結(jié)構(gòu)。典型水平安定面為加筋壁板結(jié)構(gòu)長480 mm、寬480 mm，筋條通過鉚接固定在平板中心處，其中壁板、筋條分別采用1.27 mm，1.6 mm厚2A12-T0鋁合金材料；典型機(jī)翼前緣試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)寬480 mm，前緣曲率分別為50 mm和100 mm，內(nèi)部壁板通過鉚接固定在曲板上，如圖1所示，均采用1.27 mm厚2A12-T0鋁合金平板。試驗(yàn)中，飛鳥采用實(shí)驗(yàn)室前期研究的仿真鳥彈[14]，外形為圓柱形彈，直徑44 mm，長69 mm；冰雹為球形，直徑51.2 mm，同時(shí)為便于試驗(yàn)觀察，保證速度測量精度，制作過程中添加紅墨水。

圖1 試驗(yàn)件Fig.1 Test piece

圖2 彈形狀及質(zhì)量Fig.2 Projectile shape and mass

實(shí)驗(yàn)采用D80一級空氣炮裝置，如圖3所示。試驗(yàn)前，將激光發(fā)射裝置安裝在炮管中，基于激光光束直線性好的特點(diǎn)，調(diào)整仿真鳥彈和冰雹在試驗(yàn)件上的沖擊點(diǎn)位置，并根據(jù)仿真鳥彈和冰雹的尺寸和外形，設(shè)計(jì)相應(yīng)的彈托，如圖4所示。試驗(yàn)中將彈放置在特定的彈托內(nèi)，再把彈托放入空氣炮炮管中，之后打開氣室閥門，高壓空氣將彈托從炮管中推出，通過剝殼裝置實(shí)現(xiàn)彈與彈托的分離，保證彈沿炮管軸向方向以一定速度運(yùn)動(dòng)，并觸發(fā)相應(yīng)的測量設(shè)備。

圖3 空氣炮系統(tǒng)Fig.3 The gas gun system

圖4 激光瞄準(zhǔn)系統(tǒng)Fig.4 Laser aiming system

試驗(yàn)中，采用兩臺高速攝像機(jī)，分別用于觀察試驗(yàn)件被彈沖擊過程中面內(nèi)變形過程和測量沖擊速度。兩臺高速攝像機(jī)安裝相對位置，如圖5所示。防護(hù)裝置位于高速攝像機(jī)前方。試驗(yàn)前，采用鋼直尺，標(biāo)定炮口位置在測速系統(tǒng)中的尺寸比例，從而獲得彈在不同時(shí)刻的空間坐標(biāo)變化，保證速度測量精度。

圖5 高速攝像系統(tǒng)空間位置布置圖Fig.5 Space layout of high speed camera system

2 試驗(yàn)結(jié)果

基于D80空氣炮系統(tǒng)，針對典型水平安定面平板試驗(yàn)件和機(jī)翼前緣結(jié)構(gòu)曲板試驗(yàn)件，分別開展仿真鳥彈和冰雹撞擊實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中沖擊速度和最大撞擊凹坑深度，如表1所示。

表1 試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Test result

圖6～圖9分別給出了仿真鳥彈和冰雹撞擊下試驗(yàn)件的變形圖。結(jié)合圖6～圖9以及表1中數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)隨著仿真鳥彈和冰雹速度的增加，即動(dòng)能的增加，在試驗(yàn)件上形成的凹坑深度以及形成的塑性變形區(qū)域越大；且形成的凹坑及塑性變形區(qū)較大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于彈的直徑；對比兩種不同規(guī)格曲板試驗(yàn)結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)不同規(guī)格曲板的變形趨勢一致，均隨著彈動(dòng)能的增大而增加；但曲板前緣曲率越大，在等動(dòng)能彈沖擊下，形成的凹坑深度以及形成的塑性變形區(qū)域越大。

圖6 仿真鳥彈平板試驗(yàn)件變形Fig.6 Deformation of horizontal stabilizer under artificial bird projectile

圖9 冰雹曲板試驗(yàn)件變形Fig.9 Deformation of leading edge structure under hail projectile

同時(shí)，可看出在仿真鳥彈和冰雹的撞擊下，試驗(yàn)件均未發(fā)生損傷斷裂行為；且對于加筋平板試驗(yàn)件，撞擊過程中平板右側(cè)產(chǎn)生較大面積的塑性變形，但筋條左側(cè)平板基本沒有變形，說明筋條的存在增加了結(jié)構(gòu)剛度，有效保護(hù)左側(cè)平板結(jié)構(gòu)的完整性；對于曲板試驗(yàn)件，當(dāng)前緣曲率為50 mm時(shí)，內(nèi)部壁板成為塑性變形和非塑性變形區(qū)域分界線；當(dāng)前緣曲率增大，達(dá)到100 mm時(shí)，結(jié)構(gòu)剛度降低，此時(shí)內(nèi)部壁板無法有效阻止塑性變形區(qū)的擴(kuò)展，產(chǎn)生大面積的凹陷變形。

圖7 仿真鳥彈曲板試驗(yàn)件變形Fig.7 Deformation of leading edge structure under artificial bird projectile

圖8 冰雹平板試驗(yàn)件變形Fig.8 Deformation of horizontal stabilizer under hail projectile

3 數(shù)值模型驗(yàn)證

3.1 有限元模型

3.1.1 試驗(yàn)件模型

試驗(yàn)中，試驗(yàn)件發(fā)生大面積塑性變形，但整體結(jié)構(gòu)以及筋條和壁板之間的連接未發(fā)生斷裂/失效，因此采用Tie連接模擬鉚接接觸。此外考慮到試驗(yàn)件主體結(jié)構(gòu)為薄板結(jié)構(gòu)，為提高建模效率，采用殼單元模型沖擊過程，降低計(jì)算時(shí)間成本，

將CATIA模型導(dǎo)入Hypermesh軟件，并提取中性面進(jìn)行網(wǎng)格劃分。整體結(jié)構(gòu)主要采用四邊形單元，在幾何過渡區(qū)域采用少量的三角形單元。其中網(wǎng)格尺寸設(shè)置為2 mm，水平安定面平板、曲率50 mm曲板和曲率100 mm曲板分別劃分為68 703個(gè)、81 537個(gè)和104 086個(gè)網(wǎng)格單元，并將其導(dǎo)入到ABAQUS有限元軟件中。最終得到的網(wǎng)格模型如圖10所示。

圖10 網(wǎng)格模型Fig.10 Mesh model

3.1.2 仿真鳥彈、冰雹模型

試驗(yàn)中，從高速攝像可看到仿真鳥彈和冰雹均發(fā)生大面積破碎/失效，呈現(xiàn)出一定的流體流動(dòng)特性。因此常規(guī)的Lagrange單元會出現(xiàn)畸變等計(jì)算問題，無法順利描述仿真鳥彈和冰雹的變形過程。

本文采用基于SPH方法的狀態(tài)方程描述沖擊過程中仿真鳥彈和冰雹的變形，材料參數(shù)詳見3.1.3節(jié)。彈體模型采用六面體單元，其中網(wǎng)格尺寸均設(shè)置為2 mm，并通過Mesh-Element-Type-Conversion to particles將六面體網(wǎng)格轉(zhuǎn)變?yōu)镾PH粒子，其中Criterion設(shè)置為Time、Threshold為0、PPD為1、Kernel為Cubic。 最終建立的模型如圖11所示。

圖11 彈網(wǎng)格模型Fig.11 Mesh model of projectile

3.1.3 材料參數(shù)

數(shù)值仿真計(jì)算中，涉及2A12-T0鋁合金、仿真鳥、冰雹等材料。其中，試驗(yàn)件僅發(fā)生了大面積塑性變形，未發(fā)生失效行為，因此采用Johnson-Cook本構(gòu)模型描述試驗(yàn)件的變形過程。具體材料參數(shù)如表2、表3所示。

表2 2A12-T0鋁合金材料參數(shù)Tab.2 Aluminum alloy material parameters of 2A12-T0

表3 仿真鳥、冰材料參數(shù)Tab.3 Material parameters of artificial bird and hail

3.1.4 邊界和接觸條件

通過Interaction-Create-Constraint-Tie設(shè)置筋條和壁板之間的接觸，考慮實(shí)際沖擊過程中傳遞路徑，其中壁板為主面，筋條為從面。

邊界/載荷設(shè)置完全基于試驗(yàn)工況進(jìn)行設(shè)置。試驗(yàn)中只針對外蒙皮螺栓孔進(jìn)行連接，僅約束螺栓孔附近位置。因此在數(shù)值模擬中，設(shè)置參考點(diǎn)，將螺栓孔附件節(jié)點(diǎn)與參考點(diǎn)耦合Interaction-Create-Constraint-Coupling處理，并約束參考點(diǎn)三個(gè)平動(dòng)和三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。載荷設(shè)置基于試驗(yàn)獲得的沖擊速度，對相應(yīng)彈設(shè)置其速度。

3.2 模型驗(yàn)證

本文以試驗(yàn)和數(shù)值仿真最大凹坑深度作為對比物理量，通過兩者的一致性驗(yàn)證模型的有效性。其中在數(shù)值分析過程中，首先基于仿真位移云圖，得到最大位置處的位移-時(shí)間變化曲線（見圖12），以位移-時(shí)間變化曲線平緩區(qū)域的平均值（將沖擊導(dǎo)致試驗(yàn)件振動(dòng)帶來的影響降到最?。┳鳛樽畲蟀伎由疃?。仿真與試驗(yàn)最大凹坑深度對比，如表4所示。

表4 數(shù)值仿真與試驗(yàn)對比Tab.4 Comparison between simulation and experiment

圖12 編號p-4最大位移節(jié)點(diǎn)位移-時(shí)間曲線Fig.12 No.p-4 maximum displacement node displacement time curve

根據(jù)表中數(shù)據(jù)及變形對比圖13，可看到仿真鳥彈沖擊數(shù)值分析誤差基本在10%之內(nèi)，冰雹沖擊數(shù)值分析誤差基本在15%之內(nèi)，試驗(yàn)與數(shù)值分析的變形趨勢也完全一致，其中誤差主要來源為仿真鳥/冰雹材料參數(shù)的選取。通過上述分析驗(yàn)證了數(shù)值模型的準(zhǔn)確性，可有效開展冰雹和仿真鳥彈沖擊對比研究。

圖13 試驗(yàn)與仿真變形對比Fig.13 The comparison of deformation

4 冰雹與仿真鳥彈分析對比

基于經(jīng)驗(yàn)證的數(shù)值模型，開展中高速下，等動(dòng)能等直徑仿真鳥彈和冰雹的沖擊數(shù)值仿真。分析中，彈體直徑選取44 mm，長度69 mm，動(dòng)能為500 J。仿真鳥彈和冰雹對應(yīng)的質(zhì)量和速度，如表5所示。

表5 沖擊質(zhì)量和速度Tab.5 Impact mass and velocity

4.1 變形對比

將彈動(dòng)能、直徑作為不變量，在仿真鳥彈和冰雹撞擊下，典型水平安定面平板和機(jī)翼前緣結(jié)構(gòu)曲板變形模式、撞擊凹痕大小及深度，如圖14、表6所示?？煽闯鲈诘葎?dòng)能等直徑彈的沖擊下，仿真鳥彈和冰雹在典型水平安定面平板和機(jī)翼前緣結(jié)構(gòu)上形成的凹坑形式及趨勢是完全一致的；對于水平安定面平板，仿真鳥彈撞擊形成的凹坑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于冰雹撞擊凹坑，凹坑長度、寬度和深度分別為2倍、1.6倍和1.2倍；對于機(jī)翼前緣結(jié)構(gòu)，由于撞擊面變形面積受結(jié)構(gòu)自身局限，仿真鳥彈撞擊形成的凹坑略大于冰雹撞擊凹坑。說明相同沖擊條件下，仿真鳥彈對結(jié)構(gòu)的變形損傷破壞影響程度更大，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需主要考慮鳥撞影響。

圖14 仿真位移云圖Fig.14 The nephogram of displacement

表6 沖擊凹坑特性Tab.6 Impact crater

4.2 撞擊力對比

針對典型水平安定面平板和機(jī)翼前緣結(jié)構(gòu)曲板，在等動(dòng)能等直徑仿真鳥彈和冰雹撞擊下的撞擊力-時(shí)間曲線，如圖15所示?？煽闯?，仿真鳥彈和冰雹撞擊下的撞擊力-時(shí)間曲線變化趨勢基本一致，接觸開始時(shí)撞擊力峰值快速上升，到達(dá)峰值后迅速衰減，之后在零載荷附近震蕩。說明仿真鳥彈和冰雹撞擊后破碎/反彈，不再與結(jié)構(gòu)接觸產(chǎn)生二次撞擊。

圖15 撞擊力-時(shí)間曲線Fig.15 Impact force-time curves

對比載荷峰值，可看到仿真鳥彈撞擊下載荷峰值略大于冰雹撞擊下的載荷峰值，同樣說明等條件下仿真鳥彈的威脅性更大。這是因?yàn)樵谧矒舭邪暹^程中，仿真鳥彈和冰雹受到的應(yīng)力遠(yuǎn)大于屈服應(yīng)力，屬于典型的水動(dòng)力狀態(tài)（hydrodynamic regime），仿真鳥彈和冰雹可視為流體，因此沖擊物的密度成為撞擊過程的主要影響因素[15]。所以仿真鳥彈撞擊過程中載荷峰值略大。

在低速（≤70 m/s）沖擊下，飛鳥應(yīng)采用彈塑性本構(gòu)模型描述其變形過程[16]。因此本文中獲得的結(jié)論僅適用于中高速下飛鳥和冰雹沖擊過程，不一定滿足低速?zèng)_擊情況。在低速?zèng)_擊下的對比研究本文不再敘述。

5 結(jié) 論

基于D80空氣炮系統(tǒng)開展仿真鳥彈和冰雹撞擊典型水平安定面平板和機(jī)翼前緣結(jié)構(gòu)曲板，并建立經(jīng)驗(yàn)證的有限元模型，研究飛機(jī)典型結(jié)構(gòu)抗仿真鳥彈、冰雹沖擊特性及其對比，得到如下結(jié)論:

（1）隨著仿真鳥彈和冰雹動(dòng)能的增加，在試驗(yàn)件上形成的凹坑深度以及形成的塑性變形區(qū)域越大，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于彈的直徑；但筋條的存在增加了結(jié)構(gòu)剛度，有效保護(hù)非撞擊側(cè)結(jié)構(gòu)的變形程度。

（2）不同規(guī)格機(jī)翼前緣結(jié)構(gòu)撞擊下的變形趨勢一致，且隨著彈動(dòng)能的增大而增加，但前緣曲率越大，形成的凹坑深度以及形成的塑性變形區(qū)域越大。

（3）在相同條件下，仿真鳥彈和冰雹在典型水平安定面平板和機(jī)翼前緣結(jié)構(gòu)上形成的凹坑形式及撞擊力-時(shí)間曲線趨勢是一致的；在中高速?zèng)_擊速度下，仿真鳥彈撞擊形成的凹坑尺寸及撞擊力載荷峰值均比冰雹撞擊大。