劉宗興,劉軍,李維娜
1. 西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院,西安 710072 2. 海山實(shí)業(yè)發(fā)展總公司,石家莊 050200 3. 中國(guó)商飛上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院,上海 201210
為應(yīng)對(duì)針對(duì)民用飛機(jī)的爆炸性恐怖襲擊,美國(guó)聯(lián)邦航空局發(fā)布了《運(yùn)輸類飛機(jī)駕駛艙設(shè)計(jì)的安全考慮》[1]修正案,明確指出對(duì)于合格審定超過60人座位艙或最大起飛重量超過10萬(wàn)磅(45 359 kg) 的飛機(jī)必須設(shè)計(jì)有“最小風(fēng)險(xiǎn)炸彈位置”[2](Least Risk Bomb Location),飛機(jī)在飛行過程中發(fā)現(xiàn)炸彈或其他可疑爆炸裝置,可以移送至此位置,一旦可疑物品發(fā)生爆炸,設(shè)計(jì)最小風(fēng)險(xiǎn)炸彈位置可以最大程度地保護(hù)飛機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)免受傷害。
美國(guó)聯(lián)邦航空管理局曾經(jīng)針對(duì)B727-100、DC-9、B747-100以及L-1011這4款型號(hào)的飛機(jī)開展了最小風(fēng)險(xiǎn)爆炸位置的評(píng)估研究工作[3-6]。馮振宇等[7]對(duì)最小風(fēng)險(xiǎn)炸彈位置研究中需重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)爆炸響應(yīng)過程、人體沖擊損傷模型、內(nèi)爆炸碎片問題和抗爆裝置進(jìn)行了綜述分析。陸鵬等[8]對(duì)最小風(fēng)險(xiǎn)炸彈位置適航符合性驗(yàn)證方法進(jìn)行了研究,為國(guó)內(nèi)商用飛機(jī)的安全性和適航性發(fā)展提供了具可操作性的設(shè)計(jì)方法。
飛機(jī)艙內(nèi)爆炸屬于內(nèi)爆炸問題,早期學(xué)者研究?jī)?nèi)爆炸問題基本針對(duì)簡(jiǎn)單模型結(jié)構(gòu),主要是球形、柱形結(jié)構(gòu)在爆炸載荷下的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)[9-11],并開展相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬計(jì)算,為內(nèi)爆炸問題的進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。Langdon等[12]采用彈道擺試驗(yàn)裝置研究了內(nèi)爆炸載荷下局部封閉圓筒的動(dòng)態(tài)響應(yīng),并分析了炸藥質(zhì)量和放置位置對(duì)圓筒變形和失效模式的影響。鄭成等[13]利用有限元軟件分析了方形薄板在內(nèi)爆炸載荷下的動(dòng)態(tài)響應(yīng),并基于薄板在沖擊載荷下的變形規(guī)律,提出了評(píng)估結(jié)構(gòu)在內(nèi)爆炸載荷下極限變形的無(wú)量綱損傷數(shù)。
本文以某型飛機(jī)典型機(jī)身結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象,建立了爆炸沖擊載荷下機(jī)身典型結(jié)構(gòu)動(dòng)響應(yīng)計(jì)算模型,計(jì)算了爆炸物當(dāng)量、爆炸沖擊距離以及爆炸沖擊位置對(duì)典型機(jī)身結(jié)構(gòu)動(dòng)響應(yīng)及破壞模式的影響,同時(shí)研究了損傷后典型機(jī)身結(jié)構(gòu)的剩余強(qiáng)度。在此基礎(chǔ)上,提出了表征剩余強(qiáng)度的無(wú)量綱系數(shù),并建立了剩余強(qiáng)度無(wú)量綱系數(shù)與爆炸物當(dāng)量及爆炸沖擊距離之間的函數(shù)關(guān)系。
1) 羅興柏等[14]提出的空氣域爆炸沖擊波超壓工程計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式為
(1)
2) Henrych和Major[15]提出的爆炸沖擊波峰值超壓計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式為
Δpm=
(2)
3) Brode[16]提出的爆炸沖擊波峰值超壓預(yù)測(cè)公式為
Δpm=
(3)
利用LS-DYNA商用軟件模擬了1 kg當(dāng)量TNT炸藥球形裝藥在無(wú)限空域爆炸情況,采用無(wú)反射邊界條件模擬爆炸沖擊波自由場(chǎng)傳播過程。計(jì)算模型如圖1所示。
圖1 空氣域1 kg當(dāng)量TNT炸藥爆炸計(jì)算模型Fig.1 Explosion calculation model of 1 kg equi- valent TNT explosive in air area
空氣采用NULL材料模型和LINEAR_POLYNOMIAL狀態(tài)進(jìn)行描述,材料參數(shù)C4=C5=0.4, 初始密度ρ0=1.2 kg/m3。爆炸物采用高能炸藥HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型,炸藥參數(shù)如表1[17]所示。
表1 TNT炸藥參數(shù)[17]Table 1 TNT explosive parameters[17]
計(jì)算后得到了爆炸沖擊波在自由場(chǎng)傳播過程,依據(jù)計(jì)算結(jié)果得到了不同比例距離處爆炸沖擊波的峰值超壓,并利用羅興柏公式(式(1))、Henrych公式(式(2))和H.L.Brode公式(式(3))對(duì)相應(yīng)比例距離處峰值超壓進(jìn)行預(yù)測(cè),計(jì)算結(jié)果與各經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)結(jié)果如圖2所示??梢娪?jì)算結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)結(jié)果吻合較好,驗(yàn)證了爆炸沖擊載荷數(shù)值模擬方法的合理性。
鄭金國(guó)等[18]采用試驗(yàn)方法研究了爆炸沖擊載荷下鋁合金平板的損傷,試驗(yàn)裝置由3部分構(gòu)成:鋁板和固定裝置、炸藥和傳感器安置支架、試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)。鋁板為直徑500 mm的2024-T3鋁合金,通過法蘭盤固定在支架上,為減小地面反射波對(duì)試驗(yàn)的影響,支架高度設(shè)定為750 mm,試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)件尺寸如圖3[18]所示。
圖2 不同比例距離處經(jīng)驗(yàn)公式與數(shù)值模擬結(jié)果Fig.2 Empirical formulas and numerical simulation results at different proportional distances
對(duì)該試驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬,建立計(jì)算模型如圖4所示,包括炸藥、正方體空氣域及鋁板。爆炸物采用高能炸藥HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型,炸藥參數(shù)如表1[17]所示。
圖3 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)件尺寸[18]Fig.3 Test device and test piece size[18]
圖4 有限元模型及邊界條件區(qū)域Fig.4 Finite element model and boundary condition area
正方體空氣域采用體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格,設(shè)置無(wú)反射邊界條件以模擬無(wú)限空域。鋁板采用殼單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格,采用與試驗(yàn)一致的固支邊界條件。空氣與鋁合金結(jié)構(gòu)之間采用流固耦合算法,仿真爆炸沖擊波與鋁板結(jié)構(gòu)之間的相互耦合作用。爆炸是一個(gè)極其快速的能量釋放過程,在這個(gè)過程中,爆炸物在爆炸的同時(shí)會(huì)快速釋放出大量的熱量,因而鋁板采用可考慮應(yīng)變率效應(yīng)和溫度效應(yīng)并帶有斷裂失效的JOHNSON_COOK材料模型,JOHNSON_COOK本構(gòu)模型的形式為
(4)
具體參數(shù)如表2[19]所示。
表2 鋁合金2024-T3的JOHNSON_COOK本構(gòu)模型參數(shù)[19]
計(jì)算結(jié)果如圖5所示,鋁板在固支處出現(xiàn)剪切破壞,損傷區(qū)域直徑為300 mm,鋁板中部出現(xiàn)斷裂破壞,最終從鋁板損傷區(qū)域中心呈現(xiàn)4片花瓣?duì)钇茐男问?,與如圖6[18]所示的鋁板試驗(yàn)結(jié)果破壞形式一致,證明了本文計(jì)算方法的合理性。
圖5 數(shù)值模擬鋁板響應(yīng)結(jié)果Fig.5 Numerical simulation results of aluminum plate response
圖6 試驗(yàn)平板宏觀變形[18]Fig.6 Macroscopic deformation of test plate[18]
按照“最小風(fēng)險(xiǎn)炸彈位置”[1]設(shè)計(jì)要求,在最小風(fēng)險(xiǎn)炸彈位置處,采用爆炸包容結(jié)構(gòu)放置爆炸物,以降低爆炸沖擊波對(duì)飛機(jī)艙內(nèi)影響。爆炸包容結(jié)構(gòu)為圓筒狀裝置,由3層構(gòu)成,外層采用鈦合金材料,中間層采用蜂窩金屬材料,內(nèi)層采用鈦合金材料,結(jié)構(gòu)如圖7(a)所示。爆炸包容結(jié)構(gòu)采用體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格,網(wǎng)格單元數(shù)量262 191,網(wǎng)格模型如圖7(b)所示。爆炸物內(nèi)置于爆炸包容結(jié)構(gòu)中,爆炸物采用高能炸藥HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型,炸藥參數(shù)如表1[17]所示。機(jī)身典型結(jié)構(gòu)如圖7(c)所示,蒙皮及筋條均為薄壁結(jié)構(gòu),采用殼單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格,網(wǎng)格單元數(shù)量80 215, 網(wǎng)格模型如圖7(d)所示。
圖7 爆炸包容結(jié)構(gòu)及機(jī)身典型結(jié)構(gòu)Fig.7 Explosion containment structure and typical structure of fuselage
機(jī)身典型結(jié)構(gòu)材料為7050-T7451鋁合金,爆炸包容結(jié)構(gòu)內(nèi)外層為TC4鈦合金,采用可考慮應(yīng)變率效應(yīng)和溫度效應(yīng)并帶有斷裂失效的JOHNSON_COOK材料模型模擬這兩種材料的力學(xué)行為,兩種材料的材料參數(shù)如表3[19-20]和表4[21]所示。爆炸包容結(jié)構(gòu)中間層為蜂窩金屬材料,采用JOHNSON_COOK模型表征其動(dòng)態(tài)本構(gòu)方程,具體參數(shù)如表5[22]所示。
表3 7050-T7451鋁合金材料JOHNSON_COOK參數(shù)[19-20]
表4 TC4鈦合金材料JOHNSON_COOK參數(shù)[21]
表5 蜂窩材料JOHNSON_COOK參數(shù)[22]
爆炸沖擊載荷下典型機(jī)身結(jié)構(gòu)動(dòng)響應(yīng)計(jì)算模型如圖8所示,模型包括爆炸物、爆炸包容結(jié)構(gòu)、機(jī)身典型薄壁結(jié)構(gòu)和空氣域。爆炸包容結(jié)構(gòu)模型與空氣流場(chǎng)模型之間采用流固耦合算法,機(jī)身典型薄壁結(jié)構(gòu)模型與空氣流場(chǎng)模型之間同樣采用流固耦合算法,計(jì)算時(shí)爆炸包容結(jié)構(gòu)與飛機(jī)連接部位采用固支邊界條件,機(jī)身典型薄壁結(jié)構(gòu)尺寸相對(duì)于爆炸沖擊區(qū)域較大,故在其四周采用固支邊界條件及無(wú)反射邊界條件,使爆炸沖擊波到達(dá)結(jié)構(gòu)邊界后不產(chǎn)生反射波,對(duì)結(jié)構(gòu)損傷造成二次影響。
圖8 爆炸包容結(jié)構(gòu)與機(jī)身結(jié)構(gòu)相對(duì)位置Fig.8 Relative position of explosion containment structure and fuselage structure
飛機(jī)上發(fā)現(xiàn)的爆炸物,其當(dāng)量往往具有不確定性,因此在分析爆炸物對(duì)機(jī)身結(jié)構(gòu)沖擊損傷時(shí),必須考慮爆炸物當(dāng)量對(duì)結(jié)構(gòu)沖擊損傷的影響;爆炸物被發(fā)現(xiàn)并放置于爆炸包容結(jié)構(gòu)中,其放置具體位置影響爆炸物到機(jī)身結(jié)構(gòu)的距離,從而影響機(jī)身結(jié)構(gòu)的爆炸沖擊損傷;爆炸沖擊載荷作用于機(jī)身結(jié)構(gòu)具體位置受爆炸包容結(jié)構(gòu)具體位置影響,所以,爆炸包容結(jié)構(gòu)的具體位置影響機(jī)身結(jié)構(gòu)的沖擊損傷。本文主要研究爆炸物當(dāng)量、爆炸沖擊距離及爆炸沖擊載荷作用于機(jī)身典型位置時(shí),機(jī)身典型結(jié)構(gòu)沖擊動(dòng)響應(yīng)及破壞模式。
2.2.1 爆炸物當(dāng)量影響
設(shè)定爆炸物與機(jī)身典型結(jié)構(gòu)距離為300 mm,沖擊兩筋條中部蒙皮區(qū)域,爆炸物當(dāng)量分別設(shè)定為12.5、25.0、50.0、100.0 g,研究爆炸當(dāng)量對(duì)機(jī)身段密封艙典型結(jié)構(gòu)沖擊損傷影響。
不同爆炸載荷沖擊下機(jī)身典型結(jié)構(gòu)在0.5 ms時(shí)動(dòng)響應(yīng)及損傷如圖9所示,結(jié)果表明,12.5 g當(dāng)量爆炸物不能擊穿機(jī)身典型結(jié)構(gòu),25.0 g當(dāng)量爆炸物可以擊穿機(jī)身典型結(jié)構(gòu)。爆炸物與結(jié)構(gòu)蒙皮距離為300 mm時(shí),可以對(duì)機(jī)身結(jié)構(gòu)造成有效損傷的當(dāng)量介于12.5~25.0 g之間。
圖9 爆炸物當(dāng)量不同時(shí)機(jī)身結(jié)構(gòu)損傷情況Fig.9 Different explosive equivalents and damage to fuselage structure
2.2.2 爆炸沖擊距離影響
爆炸物在抗爆結(jié)構(gòu)中放置的位置會(huì)對(duì)爆炸沖擊距離產(chǎn)生影響,不同的爆炸沖擊距離會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同的響應(yīng)結(jié)果。爆炸沖擊距離示意圖如圖10所示。
圖10 爆炸沖擊距離示意圖Fig.10 Schematic diagram of explosion impact distance
設(shè)定爆炸物當(dāng)量為50.0 g,沖擊兩筋條中部蒙皮區(qū)域,爆炸物與機(jī)身蒙皮距離設(shè)定為200、300、400、500 mm,研究爆炸沖擊距離對(duì)機(jī)身典型結(jié)構(gòu)損傷影響。
機(jī)身典型結(jié)構(gòu)在爆炸沖擊載荷下的動(dòng)響應(yīng)及破壞模式如圖11所示。爆炸沖擊距離較小時(shí),受結(jié)構(gòu)空間位置所限,爆炸物在爆炸包容結(jié)構(gòu)中位置靠外,爆炸產(chǎn)生的沖擊載荷比較分散,結(jié)構(gòu)受損傷區(qū)域較大,爆炸沖擊載荷對(duì)結(jié)構(gòu)損傷較小。爆炸沖擊距離為200 mm和300 mm時(shí),沖擊距離較小,爆炸物放置在爆炸包容結(jié)構(gòu)端口部位,沖擊波能量較為分散,對(duì)結(jié)構(gòu)損傷較小;沖擊距離較大時(shí),沖擊波能量沿爆炸包容結(jié)構(gòu)開口方向單向傳播,能量較為集中,對(duì)結(jié)構(gòu)損傷較大。
圖11 不同爆炸沖擊距離時(shí)機(jī)身結(jié)構(gòu)損傷情況Fig.11 Damage to fuselage structure at different explosion impact distances
2.2.3 爆炸沖擊位置影響
機(jī)身典型結(jié)構(gòu)主要由蒙皮和筋條組成,蒙皮和筋條通過鉚釘連接,選取機(jī)身典型結(jié)構(gòu)4個(gè)特征位置,分別為筋條相交位置(A)、縱筋位置(B)、無(wú)筋條位置(C)和橫筋位置(D),如圖12所示。設(shè)定爆炸物當(dāng)量為50.0 g,爆炸沖擊距離為300 mm,研究爆炸沖擊載荷作用于4個(gè)特征位置時(shí),機(jī)身典型結(jié)構(gòu)動(dòng)響應(yīng)及損傷模式。
圖12 機(jī)身結(jié)構(gòu)典型位置Fig.12 Typical position of fuselage structure
爆炸沖擊載荷作用于筋條位置(位置A、位置B和位置D)時(shí),機(jī)身典型結(jié)構(gòu)損傷較小,爆炸沖擊載荷作用于無(wú)筋條位置(位置C)時(shí),結(jié)構(gòu)損傷較小,如圖13所示,但出現(xiàn)裂紋的損傷區(qū)域更大。
圖13 機(jī)身結(jié)構(gòu)典型位置響應(yīng)Fig.13 Typical position response of fuselage structure
損傷結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度分析目前主要有兩種方法,一種是將損傷區(qū)域進(jìn)行假設(shè),依據(jù)假設(shè)損傷進(jìn)行剩余強(qiáng)度分析,該方法需要大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為假設(shè)依據(jù);另一種是將損傷數(shù)據(jù)直接傳遞給剩余強(qiáng)度分析的全程分析方法,該方法不需要對(duì)損傷區(qū)域進(jìn)行假設(shè),可以保留結(jié)構(gòu)損傷的應(yīng)力、應(yīng)變等相關(guān)信息,并且全程分析方法可以更為直觀地研究爆炸沖擊載荷對(duì)結(jié)構(gòu)損傷及剩余強(qiáng)度的影響。因此,采用全程分析方法研究機(jī)身結(jié)構(gòu)承受爆炸沖擊載荷后的剩余強(qiáng)度,利用LS-DYNA重啟動(dòng)功能進(jìn)行損傷結(jié)構(gòu)的剩余強(qiáng)度分析。
機(jī)身?yè)p傷結(jié)構(gòu)一端固定,另一端以恒定速度1 mm/ms加載,如圖14所示,分析機(jī)身典型結(jié)構(gòu)的剩余強(qiáng)度。未承受爆炸沖擊載荷作用的機(jī)身結(jié)構(gòu)件最大承載為250 kN。
圖14 模擬拉伸試驗(yàn)加載及邊界條件Fig.14 Simulated tensile test loading and boundary conditions
爆炸沖擊波峰值超壓Δpm僅與比例距離Z有關(guān)系,比例距離Z越大,爆炸沖擊波峰值超壓Δpm越小。爆炸沖擊波對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷程度與其峰值超壓有關(guān),表6計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)表明,比距離z越大,損傷結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度無(wú)量綱系數(shù)k越大,可以采用簡(jiǎn)單多項(xiàng)式表征損傷結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度無(wú)量綱系數(shù)k與比距離之間的關(guān)系:
k=a0+a1z+a2z2+a3z3+o(z3)
(5)
式中:a0、a1、a2和a3為參數(shù),取值依賴爆炸物當(dāng)量和爆炸沖擊距離所采用的單位,式(5)采用單位為國(guó)際單位制單位,爆炸物當(dāng)量單位為kg,爆炸沖擊距離單位為m;o(z3)為z3的高階無(wú)窮小量。
表6 損傷結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度分析結(jié)果Table 6 Residual strength analysis results of damaged structures
利用表6計(jì)算結(jié)果,分別擬合得到損傷結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度無(wú)量綱系數(shù)與比距離之間的關(guān)系如下:
在位置A處:
k=-1.577 2+6.106 5z-6.506 8z2+2.331 0z3
(6)
在位置B處:
k=0.922 0-0.716 2z+0.372 5z2-0.029 9z3
(7)
在位置C處:
k=2.878 4-6.832 2z+6.417 9z2+1.912 4z3
(8)
在位置D處:
k=0.843 0-1.922 3z+1.871 6z2-0.428 0z3
(9)
將表6計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)與相應(yīng)擬合曲線進(jìn)行對(duì)比,如圖15所示,擬合曲線可以評(píng)估一定爆炸當(dāng)量和爆炸沖擊距離下爆炸沖擊載荷作用于機(jī)身結(jié)構(gòu)4處典型位置時(shí)機(jī)身結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度大小,對(duì)最小風(fēng)險(xiǎn)炸彈位置設(shè)計(jì)提供一定的指導(dǎo)。
圖15 4處典型位置剩余強(qiáng)度無(wú)量綱系數(shù)k擬合曲線與計(jì)算結(jié)果對(duì)比Fig.15 Comparison of fitting curves and calculation results of dimensionless coefficient k of residual strength at four typical locations
1) 計(jì)算了自由場(chǎng)傳播的爆炸沖擊波峰值超壓,計(jì)算結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)結(jié)果吻合較好,驗(yàn)證了本文爆炸沖擊載荷數(shù)值模擬方法的合理性。同時(shí)計(jì)算了爆炸沖擊載荷下鋁合金平板的損傷,損傷結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果良好的一致性表明了本文計(jì)算方法的可靠性。
2) 研究了爆炸沖擊載荷下爆炸物當(dāng)量、爆炸沖擊距離、爆炸沖擊位置3個(gè)因素對(duì)機(jī)身典型結(jié)構(gòu)動(dòng)響應(yīng)及損傷的影響。結(jié)果表明:爆炸物當(dāng)量對(duì)機(jī)身結(jié)構(gòu)損傷影響較大,爆炸物與結(jié)構(gòu)蒙皮距離為300 mm時(shí),對(duì)機(jī)身結(jié)構(gòu)無(wú)筋條位置造成有效損傷的當(dāng)量介于12.5~25.0 g之間;爆炸沖擊距離在200~500 mm之間時(shí),爆炸沖擊距離對(duì)結(jié)構(gòu)爆炸損傷和剩余強(qiáng)度影響較??;機(jī)身結(jié)構(gòu)蒙皮的筋條損傷對(duì)剩余強(qiáng)度影響較大。
3) 提出了表征損傷結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度的無(wú)量綱系數(shù),根據(jù)機(jī)身典型結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度數(shù)值模擬結(jié)果,建立了爆炸沖擊載荷作用于機(jī)身結(jié)構(gòu)4處典型位置時(shí)無(wú)量綱系數(shù)與爆炸物當(dāng)量及爆炸沖擊距離的函數(shù)關(guān)系,可以評(píng)估一定爆炸當(dāng)量和爆炸沖擊距離下機(jī)身結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度。
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