飛機(jī)撞擊建(構(gòu))筑物研究進(jìn)展*

劉晶波，韓鵬飛,2，林 麗，陸新征，岑 松

(1.清華大學(xué)土木水利學(xué)院土木工程系,北京 100084;2.總參謀部工程兵科研三所,河南 洛陽 471023;3.清華大學(xué)航天航空學(xué)院工程力學(xué)系,北京 100084)

飛機(jī)撞擊建(構(gòu))筑物研究進(jìn)展*

劉晶波1，韓鵬飛1,2，林 麗3，陸新征1，岑 松3

(1.清華大學(xué)土木水利學(xué)院土木工程系,北京 100084;2.總參謀部工程兵科研三所,河南 洛陽 471023;3.清華大學(xué)航天航空學(xué)院工程力學(xué)系,北京 100084)

飛機(jī)撞擊重要建(構(gòu))筑物會導(dǎo)致災(zāi)難性后果。本文從試驗研究、理論分析、數(shù)值模擬等3個方面對飛機(jī)撞擊建(構(gòu))筑物的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，相關(guān)研究難點、需要注意的問題和研究方向及趨勢進(jìn)行總結(jié)，包括：縮比試驗的系統(tǒng)和驗證，飛機(jī)撞擊力模型，撞擊所致局部破壞計算公式，飛機(jī)和建(構(gòu))筑物的精細(xì)化建模，撞擊所致振動特性，撞擊荷載和火荷載對結(jié)構(gòu)的耦合毀傷效應(yīng)，一般模型和精細(xì)化模型、解耦和耦合方法以及不同數(shù)值模擬程序計算結(jié)果的對比分析等方面，以期為后續(xù)研究提供參考。

爆炸力學(xué)；精細(xì)化模型；撞擊載荷；耦合毀傷效應(yīng)；飛機(jī)撞擊

飛機(jī)撞擊重要建(構(gòu))筑物可能會導(dǎo)致災(zāi)難性后果。J.D.Riera[1]把飛機(jī)視為變形彈體，提出一維變形彈體撞擊剛性靶體的模型，研究了撞擊荷載時程曲線，開啟了飛機(jī)撞擊建(構(gòu))筑物的先河。美國核管會對三哩島核電站的安全評估中，首次加入了飛機(jī)撞擊核電站的安全評估內(nèi)容[2]，許多學(xué)者通過理論分析、試驗和數(shù)值模擬對飛機(jī)撞擊建(構(gòu))筑物的撞擊機(jī)理、撞擊荷載、撞擊破壞現(xiàn)象陸續(xù)進(jìn)行了研究。鬼怪式戰(zhàn)斗機(jī)的撞擊荷載曲線曾被選為飛機(jī)撞擊的設(shè)計荷載[3]，而后一些國家所有核電站均明確考慮飛機(jī)的意外撞擊。

上述安全評估和設(shè)計基準(zhǔn)只是基于小型戰(zhàn)斗機(jī)或小型商用飛機(jī)的撞擊荷載。9·11事件之后，建(構(gòu))筑物抵抗飛機(jī)撞擊的研究及設(shè)計建議越發(fā)重要，尤其以飛機(jī)撞擊核電站安全殼最為熱門，相關(guān)的法規(guī)也開始出現(xiàn)。美國核管會頒布了新的聯(lián)邦法規(guī)，使得抵御大型商用飛機(jī)撞擊成為新建核電廠安全性評審的一項重要內(nèi)容[4]。目前，歐洲一些國家在壓水堆核電(EPR)的設(shè)計中將抵抗大型商用飛機(jī)撞擊作為設(shè)計基準(zhǔn)[5]。

目前，飛機(jī)撞擊建(構(gòu))筑物的研究內(nèi)容主要集中在3個方面：(1)撞擊力計算公式或者撞擊力時程曲線的研究；(2)飛機(jī)對被撞建筑物的毀傷作用，包括撞擊以及飛機(jī)燃油燃燒造成的火荷載對結(jié)構(gòu)的破壞；(3)撞擊過程中結(jié)構(gòu)內(nèi)部組件諸如設(shè)備、管道位置處由于撞擊引起的振動效應(yīng)。本文中將對以往工作進(jìn)行較為全面的整理和回顧，擬從試驗、理論分析、數(shù)值模擬等方面總結(jié)飛機(jī)撞擊建(構(gòu))筑物的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，討論相關(guān)研究難點、需要注意的問題和研究方向及趨勢，以期為后續(xù)的研究工作提供參考。

1 試驗研究

1.1 縮比試驗

圖1 撞擊試驗中彈體示意圖Fig.1 Sketch of projectile in impact test

W.Nachtsheim等[6]和E.Rüdiger等[7]研究了大變形彈體的撞擊力曲線，并研究鋼筋混凝土靶板遭受撞擊的極限承載能力。試驗表明，撞擊速度以及彈體變形行為是鋼筋混凝土靶板的極限承載能力的關(guān)鍵因素，靶板厚度的變化比鋼筋率的變化更能影響靶板對撞擊的響應(yīng)。N.Herrmann等[8]對裝有液體的彈體撞擊剛性靶的荷載時程進(jìn)行了試驗研究，試驗彈體根據(jù)大型商用飛機(jī)縮比而來，未考慮機(jī)翼的幾何尺寸和發(fā)動機(jī)的模擬。彈體含有1個液體儲存罐，用于模擬不同質(zhì)量分布，彈體示意圖如圖1所示。通過變化儲存罐所裝物質(zhì)的質(zhì)量、撞擊速度和撞擊角度給出了不同情況下的撞擊荷載時程曲線。

芬蘭技術(shù)研究中心[9]對裝有液體的可變形彈體進(jìn)行了試驗研究，彈體為圓柱殼彈體，質(zhì)量分布與商用飛機(jī)質(zhì)量分布一致，彈體配有液體儲存罐，用來模擬飛機(jī)燃油在撞擊中的響應(yīng)，可以考慮彈體的側(cè)向延伸，形成有翼彈體來更真實的模擬商用飛機(jī)，可以模擬機(jī)身、機(jī)翼、以及“硬撞擊”的發(fā)動機(jī)[10-11]，該試驗為驗證和校準(zhǔn)飛機(jī)撞擊核電站的數(shù)值模型提供了數(shù)據(jù)支持，圖2所示為試驗裝置和試驗彈體。A.Silde等[12]對裝有液體的彈體撞擊現(xiàn)象進(jìn)行了測試，獲得了液體從破碎彈丸拋射出的速度和方向，水散落到地板上的覆蓋區(qū)域，離靶體較遠(yuǎn)處水的拋散程度，以及水滴的大小等試驗數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[9]、文獻(xiàn)[13]通過大量試驗，獲得了豐富的數(shù)據(jù)信息；未來的試驗會向更復(fù)雜、更接近于飛機(jī)實際情況的彈體設(shè)計進(jìn)行，進(jìn)一步驗證裝有液體的彈體比未裝液體的破壞能力強(qiáng)的結(jié)論，以及給出“硬撞擊”經(jīng)驗公式的折減因子，從而得到飛機(jī)所謂“軟撞擊”的經(jīng)驗公式。

圖2 裝有液體的彈體撞擊試驗裝置Fig.2 Impact test apparatus of projectile loaded with liquid

圖3 雙鋼板混凝土復(fù)合靶板結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structural diagram of steel-concrete-steel sandwich composite plate target

J.Mizuno等[14]進(jìn)行了縮比飛機(jī)撞擊(單)雙鋼板混凝土復(fù)合靶板的試驗，飛機(jī)模型根據(jù)鬼怪戰(zhàn)斗機(jī)進(jìn)行1∶7.5縮比，撞擊速度為150 m/s，靶板具體構(gòu)造措施如圖3所示。通過試驗研究了鋼板混凝土復(fù)合板和飛機(jī)模型的破壞機(jī)理，獲得了飛機(jī)模型撞擊鋼板混凝土復(fù)合板的減速特性和貫穿后剩余速度，以及背面鋼板的應(yīng)變和變形數(shù)據(jù)，為后續(xù)離散元數(shù)值模擬提供了良好的數(shù)據(jù)支持。試驗數(shù)據(jù)表明，鋼板尤其是背面鋼板可有效防止混凝土的震塌拋射，所提供的撞擊阻力比常規(guī)鋼筋混凝土板要大得多，可使板的貫穿厚度降低30%左右。

W.Riedel等[15]進(jìn)行過飛機(jī)發(fā)動機(jī)撞擊混凝土結(jié)構(gòu)的縮比模型試驗，分析了纖維增強(qiáng)超高性能混凝土在發(fā)動機(jī)撞擊條件下，“侵徹”、“成坑”、“貫穿”等局部破壞現(xiàn)象。與常規(guī)混凝土相比，由于纖維增強(qiáng)超高性能混凝土抗壓強(qiáng)度的提高，降低了發(fā)動機(jī)撞擊的侵入深度以及靶板前表面混凝土的飛濺程度，靶體中的纖維大大降低了靶板背部混凝土的開裂和震塌。試驗中所用的纖維增強(qiáng)超高性能混凝土使彈道極限速度增加幅度超過了100 m/s，相應(yīng)的動能吸收量提高了1.1倍。C.Pontiroli等[16]為獲取更多的飛機(jī)撞擊問題的試驗數(shù)據(jù)并驗證數(shù)值分析模型的有效性，進(jìn)行了縮比變形彈體撞擊薄鋼筋混凝土板的試驗研究。彈體為不同厚度的鋼制圓柱殼彈體，試驗加速系統(tǒng)為90 mm直徑管狀氣炮。彈體的撞擊速度為70～135 m/s，從而可獲得不同的毀傷效應(yīng)。彈體和加速系統(tǒng)如圖4所示。試驗獲得的數(shù)據(jù)和對數(shù)值模型的驗證，為后續(xù)原型飛機(jī)撞擊建(構(gòu))筑物完成了基礎(chǔ)性工作。

圖4 加速系統(tǒng)和彈體Fig.4 Acceleration system and projectile

1.2 原型試驗

文獻(xiàn)[17]介紹了在美國桑迪亞實驗室進(jìn)行的鬼怪原型飛機(jī)撞擊混凝土靶板的試驗。試驗所用飛機(jī)重19 T，其中用4.8 T水模擬飛機(jī)燃油以提供與實際情況相符的質(zhì)量分布，飛機(jī)用兩級火箭加速；靶板為7 m見方，厚度為3.66 m的鋼筋混凝土板，用特殊充氣裝置支撐，以使靶板與地面的摩擦力近似為零。圖5所示為鬼怪飛機(jī)撞擊鋼筋混凝土板以及撞擊過后靶板的破壞情景。試驗結(jié)果表明，鬼怪戰(zhàn)斗機(jī)的一小部分機(jī)翼和尾翼被剪斷，剩余的飛機(jī)部分包括發(fā)動機(jī)在撞擊過程完全破碎，飛機(jī)發(fā)動機(jī)與靶板撞擊接觸時，才與機(jī)翼脫離，在之前撞擊階段，發(fā)動機(jī)未與飛機(jī)有相對位移，水的拋散范圍相對較??；撞擊的能量基本上轉(zhuǎn)化為靶板的動能，對結(jié)構(gòu)的破壞較小，機(jī)身對靶板的侵入深度為20 mm，而發(fā)動機(jī)的侵入深度為60 mm，機(jī)身對靶板的破壞能力相對于發(fā)動機(jī)要小得多，飛機(jī)的質(zhì)量分布情況對撞擊荷載影響較大。

圖5 F-4鬼怪飛機(jī)撞擊和靶板破壞情景[17]Fig.5 View of F-4 phantom aircraft during impact and target damage after impact[17]

T.Sugano等[18-19]針對可變形彈體/發(fā)動機(jī)進(jìn)行了一系列的撞擊鋼筋混凝土板的試驗，其中包括發(fā)動機(jī)的小縮比1∶7.5、中型縮比1∶2.5、全比例模型的撞擊，3種比例模型試驗?zāi)康氖腔ハ鄼z驗和印證彼此所得的試驗結(jié)果，發(fā)動機(jī)為鬼怪戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)的GE-J79渦輪發(fā)動機(jī)。通過試驗，檢驗了簡化模型的合理性，討論了可以根據(jù)剛性彈體局部破壞經(jīng)驗公式進(jìn)行折減來用于預(yù)測發(fā)動機(jī)對靶板的局部破壞，另外，試驗表明鋼筋配筋率大小對局部破壞影響甚小。

1.3 基于試驗研究的評價

通過縮比試驗可以研究在某種比例或多種比例下飛機(jī)對靶板的毀傷效應(yīng)和飛機(jī)的撞擊荷載，而對于毀傷效應(yīng)，未包括燃油所致火荷載對結(jié)構(gòu)的破壞，以及撞擊和火荷載耦合作用下的毀傷，也未包括撞擊振動效應(yīng)的研究。縮比試驗對飛機(jī)簡化的合理性，包括質(zhì)量分布和剛度分布對撞擊結(jié)果的影響是研究難點之一；另外，由于撞擊現(xiàn)象的非線性效應(yīng)和縮比尺寸效應(yīng)，某種縮比試驗得出的科學(xué)規(guī)律是否可以推廣到其它比例下的情況還需要進(jìn)行系統(tǒng)的試驗研究，最后推廣到原型機(jī)的撞擊規(guī)律，這也是縮比試驗研究的難點。由于原型試驗很難實施，那么數(shù)值模擬縮比試驗，并通過縮比試驗來進(jìn)行驗證數(shù)值模擬的合理性和可靠性，比如本構(gòu)關(guān)系的選取，參數(shù)的取值等等。通過多種比例試驗和數(shù)值模擬的相互印證，最后推廣到原型試驗的數(shù)值模擬，這樣得出的結(jié)果就會更有可信性和科學(xué)性，所以縮比試驗的主要作用還是研究某種比例下的撞擊行為或者多種比例下撞擊行為的差異性，并可為原型飛機(jī)撞擊的有限元模擬提供有力的數(shù)據(jù)支撐。飛機(jī)撞擊混凝土結(jié)構(gòu)的破壞范圍包括發(fā)動機(jī)和飛機(jī)相對剛性部分對結(jié)構(gòu)的局部破壞，以及整個飛機(jī)造成的結(jié)構(gòu)整體的彈塑性響應(yīng)。其中局部破壞包括成坑、震塌，以及侵徹等現(xiàn)象。預(yù)測局部破壞的許多經(jīng)驗公式都是針對剛性彈體的，而不能用于飛機(jī)撞擊，不過可以通過相關(guān)試驗對上述經(jīng)驗公式進(jìn)行修正來獲取因飛機(jī)撞擊所造成局部破壞的經(jīng)驗公式。

2 理論分析

2.1 理論假設(shè)

J.D.Riera[1]對飛機(jī)撞擊建筑物的分析模型進(jìn)行簡化，假設(shè)飛機(jī)模型為一維模型，可承擔(dān)所有的撞擊力，不考慮撞擊力的位置分布情況；飛行軸線與飛行軌跡重合，且與靶體垂直；飛機(jī)模型的變形壓碎部分不產(chǎn)生拋射物。距離靶體較近的部分受到撞擊不斷壓縮而變形甚或破碎，遠(yuǎn)離靶體部分未受到撞擊壓縮，可視為剛性部分。根據(jù)飛機(jī)撞擊時受到的動量、沖量守恒定律，并將靶體視為剛性體得出撞擊力計算公式。K.Hornyik[20]在J.D.Riera所提出模型的基礎(chǔ)上，在考慮了動量守恒的前提下，通過考慮能量守恒來分析討論，假設(shè)材料為理想彈塑性模型，給出了計算關(guān)系式；L.Y.Bahar等[21]從J.D.Riera所提出的公式出發(fā)，考慮撞擊變形區(qū)域速度的折減，引入慣性撞擊力比例因數(shù)α，文獻(xiàn)[22]給出的α的取值為0.5，T.Sugano等[17]通過該公式與試驗數(shù)據(jù)對比，給出α的相對最佳取值為0.9；H.Abbas等[22]對飛機(jī)的撞擊荷載時程曲線的研究是建立在質(zhì)量、動量和能量守恒的基礎(chǔ)上，考慮能量守恒：飛機(jī)未變形部分撞擊進(jìn)入變形區(qū)域，其減少的能量假設(shè)轉(zhuǎn)化為飛機(jī)的塑性變形能，飛機(jī)變形部分的動能，撞擊過程中產(chǎn)生的熱能、聲能，以及靶體的動能和應(yīng)變能。上述模型的計算公式如表1所示。

表1 文獻(xiàn)中撞擊力計算公式Table 1 Impact force calculation formulas in reference

圖6 機(jī)撞擊變形靶板(集中質(zhì)量模型)Fig.6 Aircraft impact on deformable target (lumped-mass model)

表1中:F為飛機(jī)所受撞擊力，mc為變形壓碎部分質(zhì)量，vr為飛機(jī)剛性部分的速度，vt為飛機(jī)變形壓碎部分與靶體結(jié)構(gòu)的速度，μ為t時刻飛機(jī)單位長度質(zhì)量，pc為飛機(jī)結(jié)構(gòu)的壓潰力，為瞬時值，計算比較困難，通常用平均壓潰力來代替，國內(nèi)外許多學(xué)者提出不少經(jīng)驗公式，不過計算值差別較大，所以合理選取壓潰力就是該模型使用的一個關(guān)鍵點；e為每單位長度因變形耗散的能量，f為變形部分剩余速度與撞擊速度之比的平方，當(dāng)f=1時，則Hornyik公式退化為Riera公式；Ea為撞擊過程中熱能、聲能、靶體動能和應(yīng)變能之和，H.Abbas等[22]提出公式的最后一項的量值很難估計，若忽略此項，又會低估撞擊荷載的影響，對靶體的設(shè)計不利。

J.P.Wolf等[23]提出了集中質(zhì)量、彈塑性的模型，機(jī)身質(zhì)量簡化為n個集中質(zhì)量，通過具有一定長度和剛度的彈簧相連，彈簧可壓縮和拉伸，機(jī)翼質(zhì)量假設(shè)在機(jī)身撞擊到一定長度后與其脫離。當(dāng)彈簧與靶板接觸時，僅為壓縮狀態(tài)，當(dāng)達(dá)到壓潰力時，彈簧開始壓潰，并在應(yīng)變達(dá)到-1時完全壓潰；當(dāng)彈簧處于拉伸狀態(tài)時，在達(dá)到斷裂應(yīng)變時而斷裂。根據(jù)上述假設(shè)給出了飛機(jī)撞擊剛性靶板和可變形靶板的撞擊模型，圖6所示為飛機(jī)撞擊變形靶板的撞擊模型。J.P.Wolf等[23]利用撞擊剛性靶板模型，計算了波音707和FB-111戰(zhàn)斗機(jī)的撞擊荷載時程曲線，并與Riera模型的計算結(jié)果進(jìn)行了對比分析，兩種模型的結(jié)果達(dá)到了很好的一致性；并對比分析了2種飛機(jī)撞擊可變形靶板和剛性靶板的撞擊荷載時程曲線，計算結(jié)果很接近，無太大差別。

王遠(yuǎn)功等[24]介紹了J.D.Riera[1]提出的剛性荷載函數(shù)與考慮靶體變形的實際荷載函數(shù)的不同，總結(jié)了K.Drittler等[25]、N.J.Krutzik等[26]考慮靶體變形的情況下所給出的鬼怪戰(zhàn)斗機(jī)的修正撞擊荷載函數(shù)，在此基礎(chǔ)上根據(jù)沖量守恒的原理，給出多邊形近似曲線來包絡(luò)撞擊荷載。

2.2 基于理論分析的評價

理論分析對撞擊荷載的研究居多，其它的研究內(nèi)容很少見。通過現(xiàn)有理論模型的總結(jié)對比分析，后續(xù)理論模型與Riera模型相比，是對Riera模型的再發(fā)展，雖然考慮了飛機(jī)與靶體的相互作用，但是飛機(jī)變形部分剩余速度的折減系數(shù)較難確定，這不僅跟飛機(jī)有關(guān)，還與靶體自身因素有關(guān)，需要通過大量的試驗或者有效的數(shù)值計算來確定其大小范圍，目前相關(guān)研究較少。而Riera模型簡單實用，考慮大變形，關(guān)鍵是壓潰力的合理確定，該模型是一維模型，僅考慮了軸向上的質(zhì)量分布，其它方向上未予考慮，并不能表述荷載的分布情況。從而對靶體的整體撞擊作用是適合的，對撞擊部位的局部作用受到較大限制，也未考慮靶體的變形。對于撞擊荷載需進(jìn)一步研究考慮彈/靶響應(yīng)的計算模型和計算方法。

3 數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值方法

飛機(jī)撞擊建(構(gòu))筑物的數(shù)值模擬對象，可分為3類。由前面的試驗研究可以看出，試驗研究通常分為縮比試驗和原型試驗，那么對縮比試驗的數(shù)值模擬可分為第1類，其主要目的是對比分析數(shù)值計算與試驗數(shù)據(jù)，增強(qiáng)數(shù)值計算可靠性，比如驗證計算模型的本構(gòu)關(guān)系是否合理，參數(shù)取值是否合適，從而增加原型飛機(jī)撞擊數(shù)值計算結(jié)果的可信性。例如，A.Saarenheimo等[27]采用混凝土塑性損傷模型和開裂模型來模擬混凝土，利用ABAQUS對芬蘭技術(shù)研究中心的試驗[9]進(jìn)行了數(shù)值計算； O.Martina等[28-29]對混凝土和鋼材分別采用Han and Chen模型和Johnson-Cook模型運用RADIOSS模擬了芬蘭技術(shù)研究中心的試驗[9]，完善了有限元數(shù)值模擬鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)對飛機(jī)撞擊的響應(yīng)；J.Mizuno等[30-31]采用離散元方法、單元失效采用摩爾庫倫準(zhǔn)則，模擬了F-16戰(zhàn)機(jī)撞擊單、雙鋼板混凝土復(fù)合板縮比試驗，并通過試驗數(shù)據(jù)分析計算的有效性，最后給出了原型F-16戰(zhàn)機(jī)撞擊復(fù)合板的數(shù)值計算結(jié)果，如圖7所示，研究了上述復(fù)合結(jié)構(gòu)的毀傷機(jī)制和防護(hù)能力。

圖7 F-16戰(zhàn)機(jī)撞擊雙鋼板混凝土板Fig.7 F-16 Aircraft impact on steel-concrete-steel sandwich composite plate

第2類是解耦方法，將飛機(jī)撞擊力時程曲線加載到所研究的結(jié)構(gòu)上(以核電站安全殼居多)進(jìn)行數(shù)值計算。H.Abbas等[32]利用波音707，F(xiàn)B-111和鬼怪這3種飛機(jī)的撞擊時程曲線加載到半球殼型安全殼上，對比分析了不同加載部位的破壞效應(yīng)、進(jìn)行了混凝土不同開裂應(yīng)變對數(shù)值計算結(jié)果的影響分析，得出鬼怪飛機(jī)撞擊破壞作用偏大的結(jié)論；L.R.Frano等[33]利用上述幾種飛機(jī)的撞擊力曲線探討了某安全殼的抗撞性，M.Kukreja等[34]對混凝土本構(gòu)采用考慮雙軸和三軸應(yīng)力條件的單軸應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，鋼筋等鋼材采用雙線性彈塑性本構(gòu)，根據(jù)波音707和空中客車A300的撞擊力曲線對500 MW預(yù)應(yīng)力安全殼是否能承受大型飛機(jī)的撞擊進(jìn)行了詳細(xì)的評估；M.A.Iqbal等[35]和M.R.Sadique等[36]采用ABAQUS的混凝土塑性損傷模型并考慮應(yīng)變率效應(yīng)，鋼筋采用Johnson-Cook模型，利用上述文獻(xiàn)中的幾種荷載時程曲線直接加載到安全殼，對安全殼產(chǎn)生的應(yīng)力、變形、關(guān)鍵單元的破壞情況進(jìn)行了討論，比較分析了局部破壞和整體響應(yīng)；G.Dundulis等[37]對混凝土采用Hsieh-Ting-Chen本構(gòu)，使用鬼怪F-4戰(zhàn)機(jī)的撞擊荷載曲線研究了核電站被撞擊結(jié)構(gòu)的整體完整性和采用經(jīng)驗公式研究了發(fā)動機(jī)對結(jié)構(gòu)的局部破壞作用；左家紅[38]對秦山核電站安全殼施加撞擊荷載函數(shù)，對安全殼穹頂位移及應(yīng)力、開裂、安全殼的整體動力響應(yīng)、撞擊區(qū)的非線性響應(yīng)進(jìn)行了討論分析。

第3類方法是耦合方法，建立飛機(jī)和建(構(gòu))筑物模型，模擬兩者的撞擊作用。李笑天等[39]利用2 m×1 m×2 m的實體塊模擬飛機(jī)來撞擊安全殼，比較了不同材料模型對結(jié)果的影響；徐征宇[40]利用LS-DYNA軟件對波音737撞擊AP1000屏蔽廠房進(jìn)行了有限元分析，飛機(jī)及屏蔽廠房所用金屬采用塑性強(qiáng)化模型，混凝土采用HJC模型，認(rèn)為屏蔽廠房能夠有效抵御飛機(jī)撞擊；J.Arros等[41]建立了波音747飛機(jī)模型，用來撞擊1個虛擬的建筑物，混凝土采用Winfrith本構(gòu)，用文獻(xiàn)[1]中方法得到的波音747飛機(jī)撞擊時程曲線及數(shù)值模擬獲得的曲線，兩者總動量相差較少，但是采用荷載時程曲線直接加載和用原型飛機(jī)模型進(jìn)行數(shù)值模擬撞擊的結(jié)果是不同的，結(jié)構(gòu)內(nèi)力和動態(tài)響應(yīng)是有區(qū)別的；T.Wierzbicki等[42]建立了簡化的飛機(jī)機(jī)翼模型，研究了飛機(jī)機(jī)翼撞擊世貿(mào)大樓外圍柱子的破壞形式；M.R.Karim等[43]在T.Wierzbicki等[42]工作的基礎(chǔ)上，飛機(jī)機(jī)身和發(fā)動機(jī)簡化為圓柱殼，機(jī)翼簡化為箱梁結(jié)構(gòu)并考慮燃油質(zhì)量，飛機(jī)和世貿(mào)鋼柱所用金屬采用Johnson-Cook模型，考慮材料非線性和應(yīng)變率效應(yīng)，給出了飛機(jī)侵入外圍柱結(jié)構(gòu)的最小速度和飛機(jī)最大撞擊速度條件下柱子的最小厚度；鄭文凱[44]利用LS-DYNA軟件對波音767飛機(jī)撞擊雙鋼板混凝土屏蔽廠房的撞擊荷載進(jìn)行了數(shù)值計算，討論了材料模型、網(wǎng)格尺寸對計算結(jié)果的影響。

圖8(a) 波音767飛機(jī)撞擊世貿(mào)大廈實際場景Fig.8(a) Actual photograph of Boeing 767 aircraft impacting the World Trade Center

S.W.Kirkpatrick等[45]敘述了飛機(jī)和世貿(mào)大廈的有限元建立過程，對比分析了網(wǎng)格尺寸對撞擊行為的影響程度，建立了飛機(jī)和世貿(mào)大廈精細(xì)化模型，評估了撞擊造成的毀傷效應(yīng)。C.Hoffmann等[46]、P.Rosen等[47]和V.Popescu等[48]對飛機(jī)撞擊世貿(mào)大廈和五角大樓的有限元數(shù)值模擬進(jìn)行了系統(tǒng)研究，對飛機(jī)和建筑物進(jìn)行了精細(xì)化建模，利用LS-DYNA模擬了撞擊的全過程，采用ALE和SPH方法模擬了燃油的拋灑過程，但并未給出燃油形成的火荷載對結(jié)構(gòu)的毀傷效應(yīng)。S.W.Kirkpatrick等[45]和P.Rosen等[47]給出的數(shù)值模擬結(jié)果與實際情況有很好的一致性，如圖8所示。

B.M.Jin等[49]對大型商用飛機(jī)撞擊核電站引起的振動特性進(jìn)行了初步分析，指出飛機(jī)撞擊引起的振動不同于地震事件。飛機(jī)撞擊荷載與地震荷載相比持時短，撞擊引起的振動頻率主要集中在高頻，建立了核電站簡化模型并研究了不同參數(shù)對振動特性的影響。M.Kostov等[50]根據(jù)定義的損傷指標(biāo)對A92核電站的屏蔽廠房抵御大型商用飛機(jī)產(chǎn)生的振動效應(yīng)進(jìn)行了安全評估。

圖8(b) 波音767飛機(jī)撞擊世貿(mào)大廈數(shù)值模擬結(jié)果Fig.8(b) Simulation result of Boeing 767 aircraft impacting the World Trade Center

3.2 基于數(shù)值模擬的評價

數(shù)值模擬研究的內(nèi)容比較全面,包括撞擊荷載、毀傷效應(yīng)、撞擊振動特性等。數(shù)值方法中對縮比試驗進(jìn)行的數(shù)值模擬，主要目的是通過試驗驗證數(shù)值模擬的合理性，包括材料本構(gòu)和失效參數(shù)的選取，從而推廣到原型機(jī)撞擊的數(shù)值模擬中去。解耦方法中，如果通過理論模型獲得撞擊荷載，飛機(jī)的合理簡化和壓潰力的選取值得研究，如果通過飛機(jī)數(shù)值模型撞擊剛性墻獲得撞擊荷載，飛機(jī)合理建模是重點，解耦方法較難準(zhǔn)確評估局部毀傷效應(yīng)，因此撞擊荷載的加載面積以及沿作用截面的分布規(guī)律就是研究的關(guān)鍵問題；耦合方法中，考慮了飛機(jī)與建(構(gòu))筑物的相互作用，即飛機(jī)直接撞擊建(構(gòu))筑物，一般模型(比如飛機(jī)機(jī)身重量分配到飛機(jī)的蒙皮上和地板梁結(jié)構(gòu)上)和精細(xì)化模型(比如考慮機(jī)身蒙皮,機(jī)翼翼肋、尾翼翼肋、機(jī)身框、機(jī)身桁條及地板梁，殼單元厚度和梁截面尺寸，飛機(jī)燃油的建模)對結(jié)果的影響也需要進(jìn)行相關(guān)分析。解耦方法和耦合方法數(shù)值模擬結(jié)果的差異性也是研究的一個趨勢，再者不同的數(shù)值模擬程序計算結(jié)果的對比分析也是未來的一個方向。另外，飛機(jī)撞擊過程中或撞擊過后可能會有火荷載對結(jié)構(gòu)造成毀傷，相關(guān)研究通常分別考慮撞擊荷載和火荷載作用，或者僅考慮撞擊荷載，而兩者耦合作用下對建(構(gòu))筑物的毀傷很少見,所以研究其機(jī)理也是重點之一。

4 結(jié) 語

國內(nèi)外的學(xué)者針對飛機(jī)撞擊建(構(gòu))筑物進(jìn)行了大量的研究工作，取得了豐碩的成果。包括撞擊荷載、撞擊毀傷效應(yīng)、撞擊引起的振動特性等?？s比試驗?zāi)芙o出特定比例飛機(jī)的撞擊規(guī)律，能否推廣到其它比例上去，還需進(jìn)行系統(tǒng)的研究和驗證，原型試驗?zāi)苤苯咏沂咀矒繇憫?yīng)規(guī)律，但開展得較少；理論分析模型有其對應(yīng)的適應(yīng)條件，理論模型的修正和提出并給出適合飛機(jī)撞擊力和局部毀傷破壞的計算公式是未來研究的一個重點；對于數(shù)值模擬，關(guān)鍵是對飛機(jī)和建(構(gòu))筑物的精細(xì)化數(shù)值建模，包括飛機(jī)的質(zhì)量和剛度分布，燃油的影響，加載面積的確定，飛機(jī)和建(構(gòu))筑物材料失效的精確模擬等，撞擊荷載和火荷載耦合作用下建筑物的毀傷機(jī)理，撞擊所致振動特性研究，各種方法計算結(jié)果的對比，比如一般數(shù)值模型和精細(xì)化數(shù)值模型計算結(jié)果對比，解耦方法和耦合方法計算結(jié)果的對比，不同數(shù)值模擬程序計算結(jié)果的對比等都是未來研究的方向。

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(責(zé)任編輯 王易難)

Research progress of buildings and structures subjected to aircraft impact

Liu Jingbo1, Han Pengfei1,2, Lin Li3, Lu Xinzheng1, Cen Song3

(1.DepartmentofCivilEngineering,SchoolofCivilEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China;2.TheThirdResearchInstituteofEngineeringCorps,GeneralStaffofPLA,Luoyang471023,Henan,China;3.DepartmentofEngineeringMechanics,SchoolofAerospace,TsinghuaUniversity,
Beijing100084,China)

Studies on buildings and structures subjected to aircraft impact have been of greater concern, because malicious aircraft crash is one of the major means adopted in terrorist attacks due to the disastrous consequences and extremely bad influences involved. As the aircraft impact is related with multiple scientific issues, in this paper, the latest developments in the study of buildings and structures subjected to aircraft impact at home and aboard are summarized from three respects covered by test study, theoretical analysis, and numerical simulation, with special focus on difficulties and problems in research as well as the future research direction and trend, including firstly the system research and validation for scale model test, secondly the impact force model and local damage calculation formulas research, thirdly the establishment of the refined model of aircraft, buildings and structures, fourthly the vibration characteristics of buildings and structures subjected to aircraft impact, fifthly the coupling damage effect of impact load and fire load, and finally the comparative analysis of results calculated by the general model and the refined model, decoupling and coupling method, and various numerical simulation programs.

mechanics of explosion; refined model; impact load; coupling damage effect; aircraft impact

10.11883/1001-1455(2016)02-0269-10

2014-09-15；

國家科技重大專項項目(2011ZX06002-10)

劉晶波(1956— )，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師;

韓鵬飛，feixuehan2003@sina.com。

O383；TU312；TB122 國標(biāo)學(xué)科代碼： 1303530

A

修回日期： 2014-11-25