飛機(jī)駕駛艙后觀察窗抗鳥撞試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究

劉朋朋 ， 李玉龍， 劉 軍， 蔣 裕， 李 強(qiáng)

(1.西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院航空結(jié)構(gòu)工程系，西安 710072; 2.上海商用飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 200232)

飛機(jī)駕駛艙后觀察窗抗鳥撞試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究

劉朋朋1， 李玉龍1， 劉 軍1， 蔣 裕2， 李 強(qiáng)2

(1.西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院航空結(jié)構(gòu)工程系，西安 710072; 2.上海商用飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 200232)

為了對飛機(jī)駕駛艙后觀察窗玻璃進(jìn)行抗鳥撞設(shè)計(jì)，進(jìn)行了后觀察窗玻璃抗鳥撞試驗(yàn)，試驗(yàn)中測量了觀察窗玻璃上兩個點(diǎn)的應(yīng)變時間歷程。利用大型商用碰撞分析軟件PAM-CRASH建立了全尺寸鳥撞后觀察窗玻璃有限元計(jì)算模型，對鳥撞后觀察窗試驗(yàn)過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，比較了應(yīng)變及位移時間歷程曲線的計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果，二者良好的一致性表明計(jì)算模型的合理性。在此基礎(chǔ)上分析了內(nèi)外層玻璃厚度及中間空氣層厚度對后觀察窗結(jié)構(gòu)抗鳥撞動響應(yīng)的影響規(guī)律，為飛機(jī)駕駛艙后觀察窗玻璃的抗鳥撞設(shè)計(jì)提供技術(shù)指導(dǎo)。

鳥撞；PAM-CRASH；后觀察窗；數(shù)值模擬

鳥撞是指飛機(jī)等飛行器與天空中飛行的鳥類相撞造成飛行事故的簡稱[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)全世界每年大約發(fā)生1萬次鳥撞飛機(jī)事件，國際航空聯(lián)合會已把鳥害升級為“A”類航空災(zāi)難。飛機(jī)所有可能遭受鳥撞的結(jié)構(gòu)都需要達(dá)到抗鳥撞損傷的設(shè)計(jì)要求，目前主要采用地面鳥撞試驗(yàn)及數(shù)值模擬對結(jié)構(gòu)抗鳥撞性能進(jìn)行驗(yàn)證。白金澤等[2]建立了適于風(fēng)擋結(jié)構(gòu)材料的非線性粘彈性本構(gòu)計(jì)算接口程序，通過實(shí)驗(yàn)與仿真計(jì)算結(jié)果的對比驗(yàn)證了數(shù)值模型的精度。朱書華等[3]分別應(yīng)用彈塑性模型和非線性粘彈性模型表征鳥體和風(fēng)擋的本構(gòu)關(guān)系，對某型飛機(jī)風(fēng)擋全尺寸鳥撞試驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬，有限元模型中風(fēng)擋四周支撐結(jié)構(gòu)被簡化為固支。何俊等[4]利用ANSYS/LS-DYNA三維有限元軟件，計(jì)算了一種缺口結(jié)構(gòu)的非對稱型風(fēng)擋在鳥撞載荷下的動力學(xué)響應(yīng)。劉軍等[5]結(jié)合顯式動力分析有限元軟件PAM-CRASH及其提供的SPH算法建立了鳥撞飛機(jī)風(fēng)擋數(shù)值分析模型，并建立了鳥撞擊作用下風(fēng)擋破壞判據(jù)，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，并表明SPH鳥體模型能有效模擬撞擊時鳥體濺射成碎片的情形。

飛機(jī)駕駛艙后觀察窗是民用飛機(jī)或軍用運(yùn)輸機(jī)的重要組成部分，用于駕駛員觀察機(jī)翼翼尖，其結(jié)構(gòu)由外層有機(jī)玻璃、中間空氣層、內(nèi)層有機(jī)玻璃組成，需滿足飛行氣密性要求、駕駛員視界要求。目前民用飛機(jī)和軍用運(yùn)輸機(jī)風(fēng)擋外層主要采用無機(jī)鋼化玻璃，且國內(nèi)關(guān)于鳥撞風(fēng)擋的研究主要集中在駕駛員正面風(fēng)擋玻璃的試驗(yàn)與數(shù)值模擬，對后觀察窗結(jié)構(gòu)關(guān)注較少。分析或試驗(yàn)結(jié)果表明后觀察窗玻璃受鳥撞擊后發(fā)生破碎的臨界情況的概率并不比主風(fēng)擋低[6],因而必須滿足經(jīng)受1.8 kg的飛鳥撞擊而不被擊穿的鳥撞適航標(biāo)準(zhǔn)要求。

本文對某飛機(jī)駕駛艙后觀察窗進(jìn)行了鳥撞試驗(yàn)并借助數(shù)值模擬方法對鳥撞擊過程進(jìn)行仿真計(jì)算，對比計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果以驗(yàn)證本文計(jì)算模型的合理性?；诖艘詢?nèi)外層玻璃及空氣層厚度為設(shè)計(jì)變量，對后觀察窗結(jié)構(gòu)抗鳥撞性能進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，其結(jié)論可為大型飛機(jī)后觀察窗的抗鳥撞設(shè)計(jì)提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)技術(shù)

1.1 材料本構(gòu)試驗(yàn)

為獲得觀察窗玻璃基本動力學(xué)性能參數(shù)，進(jìn)行了有機(jī)玻璃在不同溫度不同應(yīng)變率下的Hopkinson壓桿試驗(yàn)。該有機(jī)玻璃為定向拉伸熱壓成型聚丙烯酸樹酯，滿足材料規(guī)范MIL-PRF-25690B。Hopkinson壓桿系統(tǒng)由氣炮、子彈、入射桿、透射桿、吸收桿、數(shù)據(jù)測試系統(tǒng)和支持系統(tǒng)等組成，裝置如圖1所示。試驗(yàn)測量了航空有機(jī)玻璃在55 ℃下800/s、900/s、950/s、1 300/s、1 500/s、2 700/s、2 800/s七種應(yīng)變率的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖2(a)所示，同時測量了常溫下700/s、750/s、1 000/s、2 000/s四種應(yīng)變率的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖2(b)所示。

圖1 分離式Hopkinson壓桿試驗(yàn)裝置Fig.1 Split Hopkinson pressure bar experiment device

圖2 有機(jī)玻璃動態(tài)力學(xué)性能Fig.2 Dynamic mechanical property of plexiglass

1.2 鳥撞試驗(yàn)

本文鳥撞試驗(yàn)于2012年12月在西安閻良中航工業(yè)強(qiáng)度研究所鳥撞試驗(yàn)室進(jìn)行。鳥撞試驗(yàn)設(shè)備主要由發(fā)炮系統(tǒng)裝置及動態(tài)數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)裝置組成。發(fā)炮系統(tǒng)裝置主要由氣罐、炮管、附屬設(shè)備及發(fā)射控制裝置組成，其構(gòu)成原理如圖3所示。鳥彈一般采用活雞現(xiàn)宰,高壓氣罐是發(fā)射鳥彈的動力源，氣罐內(nèi)的壓力決定了鳥彈的速度，鳥彈被預(yù)先放在炮管里，待氣罐壓力達(dá)到預(yù)定值并穩(wěn)定后，開啟壓力閥，高壓氣體突然釋放，推動鳥彈在炮管內(nèi)滑行直至離開炮口射向固定在試驗(yàn)平臺架上的駕駛艙后觀察窗玻璃，后觀察窗玻璃分為內(nèi)外及中間空氣三層，各層厚度分別為17.145 mm、6.35 mm、13.49 mm，中間空氣層用于隔熱，并在周邊墊置橡膠層，如圖4所示。由于飛機(jī)增壓初始高度3 000米高空大氣溫度范圍為-55 ℃～35 ℃，考慮到摩擦、熱傳導(dǎo)及各種極限情況，觀察窗玻璃外層表面最高溫度可達(dá)到55 ℃，試驗(yàn)時對觀察窗外層玻璃采用加溫設(shè)備加溫至55 ℃后再行撞擊，撞擊時鳥體速度沿航向，大小為151 m/s，撞擊點(diǎn)位于玻璃中心。

圖3 鳥撞試驗(yàn)原理示意圖Fig.3 Schematic sketch of bird strike experiment

測量系統(tǒng)裝置包括激光測速裝置、超動態(tài)應(yīng)變儀及高速攝像機(jī)等。動態(tài)應(yīng)變儀用來記錄觀察窗玻璃動態(tài)應(yīng)變響應(yīng)，應(yīng)變片固定在外層玻璃內(nèi)表面。由于觀察窗受鳥撞擊后的變形區(qū)域主要位于撞擊點(diǎn)及撞擊位置前后，為獲得觀察窗關(guān)鍵處的有效應(yīng)變數(shù)據(jù)，試驗(yàn)中在撞擊點(diǎn)及其后方共布置2個應(yīng)變傳感器，圖5給出了應(yīng)變數(shù)據(jù)測量點(diǎn)位置及其示意圖。試驗(yàn)采用激光位移傳感器測量撞擊點(diǎn)位移，測量時注意將其固定在獨(dú)立于試驗(yàn)夾具的框架上。

圖4 后觀察窗玻璃結(jié)構(gòu)Fig.4 The structure of rear observation window glass

圖5 后觀察窗玻璃應(yīng)變測量Fig.5 The measurement of strain on rear observation window glass

2 計(jì)算模型

利用大型商用碰撞分析軟件PAM-CRASH建立鳥撞駕駛艙后觀察窗的全尺寸有限元計(jì)算模型，如圖6所示，模型包括鳥體模型、駕駛艙結(jié)構(gòu)模型、后觀察窗玻璃模型和試驗(yàn)夾具框架模型。

鳥體有限元模型外形與試驗(yàn)一致，兩端呈半球體，中間圓柱體，且長徑比為2∶1。鳥重1.8 kg時其密度為900 kg/m3，有關(guān)研究表明[7]當(dāng)鳥撞擊的相對速度大于250 km/h時，鳥基本上表現(xiàn)為流體的特性，鳥被撕成碎片呈流體狀飛濺，故鳥體采用SPH方法模擬，其本構(gòu)關(guān)系采用Murnaghan狀態(tài)方程：

p=p0+B[(ρ/ρ0)γ-1]

其中p0為參考壓強(qiáng),ρ/ρ0為鳥體當(dāng)前密度與初始密度比值，根據(jù)Mccarthy等[8]結(jié)合鳥撞平板試驗(yàn)，采用PAM-OPT對鳥體模型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化的研究結(jié)果，B取128 MPa，γ取7.98。

駕駛艙結(jié)構(gòu)及試驗(yàn)夾具框架部件較多，但均為鋁合金和鈦合金薄壁結(jié)構(gòu)，采用4節(jié)點(diǎn)四邊形薄殼單元劃分網(wǎng)格，共有76 643個節(jié)點(diǎn)，68 732個單元。材料模型選用PAM-CRASH材料庫中102號材料模型來模擬，即帶失效模式各向同性彈塑性材料模型，表1給出了計(jì)算模型中涉及到的常見鋁合金及鈦合金材料參數(shù)。

后觀察窗玻璃采用六面體單元劃分網(wǎng)格，共有25 354個節(jié)點(diǎn)，17 889個單元。材料試驗(yàn)結(jié)果表明該有機(jī)玻璃本構(gòu)關(guān)系的應(yīng)變率效應(yīng)不可忽略，材料模型選用PAM-CRASH材料庫中粘彈性材料模型來模擬，外層玻璃本構(gòu)關(guān)系選用圖2(a)中55 ℃的應(yīng)力應(yīng)變曲線，內(nèi)層玻璃選用圖2(b)中常溫時的應(yīng)力應(yīng)變曲線；計(jì)算中采用失效應(yīng)變破壞判據(jù)，材料應(yīng)變達(dá)到設(shè)置的失效應(yīng)變時發(fā)生失效，動態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果表明有機(jī)玻璃的動態(tài)失效應(yīng)變約為0.067，與文獻(xiàn)[9]一致。橡膠墊圈采用Blatz-Ko Rubber材料模型，模擬時輸入橡膠材料的剪切模量和泊松比。試驗(yàn)時應(yīng)變傳感器導(dǎo)線通過橡膠層引出，產(chǎn)生的空隙使空氣處于非完全密封的狀態(tài)，減小了空氣在壓縮過程中對結(jié)構(gòu)的作用，所以認(rèn)為中間空氣對結(jié)構(gòu)的影響很小，不考慮空氣的作用。

鳥體SPH粒子與玻璃有限元網(wǎng)格之間采用PAM-CRASH提供的34號點(diǎn)面接觸耦合算法，對在主面給定接觸厚度內(nèi)的從節(jié)點(diǎn)施加接觸力并用罰函數(shù)法計(jì)算。試驗(yàn)時駕駛艙結(jié)構(gòu)各部分之間用鉚釘緊密連接且沒有發(fā)生失效，所以模擬時定義駕駛艙各部件之間為粘接接觸，將試驗(yàn)夾具框架中與底座連接的部分三向位移全部固定，作為邊界條件。

圖6 計(jì)算模型Fig.6 Numerical model

3 結(jié)果討論及優(yōu)化設(shè)計(jì)

圖7給出了撞擊前后觀察窗外層玻璃內(nèi)表面撞擊區(qū)域S1點(diǎn)、非撞擊區(qū)域S2點(diǎn)兩點(diǎn)應(yīng)變的試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值結(jié)果的對比，可以看出，撞擊整個過程應(yīng)變響應(yīng)趨勢和應(yīng)變峰值的模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果均符合較好，但在撞擊結(jié)束時差別較大。究其原因，首先，應(yīng)變是非常敏感的物理量，撞擊初始階段，玻璃應(yīng)變主要取決于撞擊所產(chǎn)生的沖擊力，以后則取決于玻璃的阻尼，而在數(shù)值模擬中，玻璃的阻尼難以設(shè)定，這是導(dǎo)致應(yīng)變數(shù)值結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果響應(yīng)頻率差別較大的主要原因；其次，鳥彈不是均勻體，有骨有肉有血，撞擊玻璃時，玻璃上有些點(diǎn)被鳥骨所撞，這樣其應(yīng)變峰值相當(dāng)高，有些點(diǎn)被鳥肉所撞，其應(yīng)變峰值又相當(dāng)小，而在數(shù)值模擬中，鳥體被看成由一種材料構(gòu)成的均勻體，這是導(dǎo)致應(yīng)變數(shù)值結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果響應(yīng)峰值差別較大的主要原因。

表1 駕駛艙結(jié)構(gòu)材料本構(gòu)模型參數(shù)

圖7 應(yīng)變試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值結(jié)果的對比Fig.7 Comparison of numerical and experimental results of strain

圖8 位移試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值結(jié)果的對比Fig.8 Comparison of numerical and test results of displacement

圖8給出了后觀察窗外層玻璃外表面中心撞擊點(diǎn)位移的試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值結(jié)果的對比，可以看出撞擊開始后2.5 ms以內(nèi)，二者吻合較好，其中計(jì)算得到的位移在撞擊過程中產(chǎn)生較大波動，經(jīng)分析是由于數(shù)值模型中采用的接觸耦合算法產(chǎn)生的。

以上應(yīng)變及位移試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果良好的一致性表明本文建立的計(jì)算模型是合理的。另外，計(jì)算得到的鳥撞過程中鳥體與有機(jī)玻璃的接觸力時間歷程曲線如圖9所示?？梢钥闯?，鳥體與觀察窗玻璃接觸碰撞過程持續(xù)2.2 ms，接觸開始后0.5 ms接觸力達(dá)到最大值21 kN。

圖9 接觸力時間歷程曲線Fig.9 The time history curve of contact force

在此基礎(chǔ)上，取內(nèi)外層玻璃及空氣層厚度為設(shè)計(jì)變量，研究各層厚度對后觀察窗玻璃抗鳥撞性能的影響規(guī)律。

固定內(nèi)層玻璃及空氣層厚度，取外層玻璃厚度依次為17.145 mm、16.145 mm、15.145 mm、14.145 mm、13.145 mm、12.145 mm，且鳥體撞擊點(diǎn)均處于圖5(b)中S1點(diǎn)位置，計(jì)算得到撞擊點(diǎn)的位移時程曲線如圖10(a)，結(jié)果表明撞擊點(diǎn)位移峰值隨外層玻璃厚度減小而逐漸增大，且位移峰值出現(xiàn)的時間逐漸延長，導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因是外層玻璃的剛度降低。計(jì)算結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，不管玻璃厚度如何變化，各模型撞擊點(diǎn)位移曲線均在到達(dá)峰值前出現(xiàn)一個平臺區(qū)，以外層玻璃厚度17.145 mm、中間空氣層厚度6.35 mm、內(nèi)層玻璃厚度13.49 mm的原始計(jì)算模型為例，通過觀察鳥撞過程模擬結(jié)果，如圖11所示，可以發(fā)現(xiàn)撞擊后1 ms，撞擊點(diǎn)處外層玻璃經(jīng)過變形與內(nèi)層玻璃開始發(fā)生接觸，直到2.5 ms時外層玻璃開始反彈，兩層玻璃彼此分離，經(jīng)分析正是由于兩層玻璃的接觸導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度增加，撞擊點(diǎn)位移增勢減緩，出現(xiàn)位移平臺，并且撞擊點(diǎn)位移在內(nèi)外層玻璃分離時刻達(dá)到最大值。斜撞擊情形下鳥體邊緣首先與玻璃發(fā)生接觸，接觸點(diǎn)與撞擊點(diǎn)有一定距離，故從兩層玻璃開始發(fā)生接觸至撞擊點(diǎn)位置處玻璃發(fā)生接觸為止，為平臺區(qū)的持續(xù)時間。同時發(fā)現(xiàn)不同外層玻璃厚度下結(jié)構(gòu)撞擊點(diǎn)位移曲線平臺區(qū)結(jié)束時刻的位移相差不大，表明外層玻璃厚度減小引起的剛度降低對撞擊點(diǎn)位移峰值的影響比對平臺區(qū)結(jié)束時刻位移的影響更大。

固定內(nèi)外層玻璃厚度，取空氣層厚度依次為6.35 mm、5.35 mm、4.35 mm、3.35 mm、2.35 mm、1.35 mm，計(jì)算得到撞擊點(diǎn)的位移時程曲線如圖10(b)，結(jié)果表明撞擊點(diǎn)位移隨中間空氣層厚度減小而逐漸減小，這是由于鳥撞過程中橡膠層對外層玻璃起了很大的緩沖作用，減小空氣層的厚度實(shí)質(zhì)是減小橡膠層的厚度，橡膠層減弱導(dǎo)致這種緩沖作用減弱，結(jié)構(gòu)的整體剛度增加，導(dǎo)致撞擊點(diǎn)位移減小。

固定外層玻璃及空氣層厚度，取內(nèi)層玻璃厚度依次為13.49 mm、12.49 mm、11.49 mm、10.49 mm、9.49 mm、8.49 mm，計(jì)算得到撞擊點(diǎn)的位移時程曲線如圖10(c)，結(jié)果表明撞擊點(diǎn)位移隨內(nèi)層玻璃厚度減小而逐漸增大，但增大程度效果沒有減小外層玻璃厚度時明顯，變化幅度亦沒有達(dá)到減小中間空氣層厚度時的影響程度，表明內(nèi)層玻璃厚度的變化對結(jié)構(gòu)整體剛度及撞擊響應(yīng)的影響相比外層玻璃及中間空氣層要小得多。

綜上所述，飛機(jī)后觀察窗結(jié)構(gòu)外層玻璃厚度的減小對結(jié)構(gòu)鳥撞響應(yīng)的影響最大，中間空氣層次之，內(nèi)層玻璃最小。另外，結(jié)構(gòu)撞擊點(diǎn)的位移均隨外層玻璃和內(nèi)層玻璃厚度的減小而增加，而隨空氣層厚度的減小而減小。

圖10 后觀察窗玻璃中心撞擊點(diǎn)的位移時程曲線Fig.10 The time history curves of displacement on the center of rear observation window glass

圖11 鳥撞過程模擬結(jié)果Fig.11 Simulation results of bird striking process

4 結(jié) 論

通過后觀察窗玻璃的抗鳥撞試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究可以得出如下結(jié)論：

(1) 鳥撞后觀察窗是發(fā)生在毫秒量級時間內(nèi)的沖擊動力學(xué)行為，整個撞擊過程持續(xù)時間大約為2 ms。

(2) 對后觀察窗玻璃抗鳥撞試驗(yàn)過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，應(yīng)變及位移計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果良好的一致性表明了本文計(jì)算方法的合理性。

(3) 內(nèi)外層玻璃及中間空氣層厚度對后觀察窗抗鳥撞性能影響的數(shù)值模擬研究表明，外層玻璃厚度的減小對結(jié)構(gòu)鳥撞響應(yīng)的影響最大，內(nèi)層玻璃影響最小，并且結(jié)構(gòu)撞擊點(diǎn)的位移均隨外層玻璃和內(nèi)層玻璃厚度的減小而增加，而隨空氣層厚度的減小而減小。

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Tests and numerical simulation for bird’s impacting rear observation window of an aircraft cockpit

LIU Peng-peng1，LI Yu-long1，LIU Jun1，JIANG Yu2， LI Qiang2

(1.School of Aeronautics, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072，China;2.Shanghai Aircraft Design And Research Institute, Shanghai 200232,China)

In order to design rear observation window glasses of an aircraft cockpit under bird impacting, tests for bird impacting a rear observation window were conducted, the strain time histories of two points on the window were measured. A full-scale finite element model of bird impacting a rear observation window was established to simulate a test process using the large-scale commercial impacting analysis software PAM-CRASH. The results of strain and displacement time-histories achieved from simulations and tests were compared, the good agreement between them indicated that the numerical model established here is rational. Then, the effect laws of thicknesses of inner glass layer, outer glass layer and air layer between them on the bird-impact response of a rear observation window were analyzed. The results provided a technical guidance for anti-bird-impacting design of rear observation window glasses of an aircraft cockpit.

bird impact; PAM-CRASH; rear observation window; numerical simulation

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(10932008,11102167)

2013-02-05 修改稿收到日期：2013-05-30

劉朋朋 男，碩士生，1991年1月生

O347

A

10.13465/j.cnki.jvs.2014.08.014