復(fù)合材料機(jī)翼前緣抗鳥撞分析

霍雨佳，杜發(fā)喜

(成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，四川 成都 610092)

0 引 言

鳥撞飛機(jī)事故，通常會(huì)導(dǎo)致飛機(jī)雷達(dá)罩、發(fā)動(dòng)機(jī)以及翼面結(jié)構(gòu)的損壞，是危害飛機(jī)飛行安全的隱患之一，而機(jī)翼前緣是較易發(fā)生鳥撞的典型區(qū)域.

Liu等[1]采用合適的材料本構(gòu)模型，對(duì)鳥撞復(fù)合材料機(jī)翼前緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，利用地面試驗(yàn)驗(yàn)證有限元模型，并對(duì)前緣機(jī)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)抗鳥撞能力明顯提高.Hassan等[2]利用鳥撞機(jī)翼前緣結(jié)構(gòu)對(duì)蒙皮部分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使結(jié)構(gòu)質(zhì)量和機(jī)翼蒙皮變形最小.Xue等[3]在機(jī)翼前緣后部增加翼板，評(píng)估翼板的抗鳥撞能力，并對(duì)翼板進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì).王露晨等[4]對(duì)某型飛機(jī)平尾蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行鳥撞有限元數(shù)值仿真，分析蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的鳥撞損傷以及不同蜂窩芯類型對(duì)結(jié)構(gòu)抗鳥撞的影響，結(jié)果表明，具有蜂窩芯結(jié)構(gòu)的平尾可以有效地提升結(jié)構(gòu)抗鳥撞能力，且C1-4.8-48ox蜂窩芯結(jié)構(gòu)的抗變形能力最好.陳佳慧等[5]對(duì)飛機(jī)風(fēng)擋鳥撞過程進(jìn)行有限元分析，并考察不同撞擊角度和不同撞擊位置對(duì)風(fēng)擋變形的影響，得出隨著撞擊角度增大、撞擊點(diǎn)位移增大以及風(fēng)擋正中心位置為最大變形位置的結(jié)論.國內(nèi)的相關(guān)研究還處于起步階段.本研究以某型無人機(jī)復(fù)合材料機(jī)翼前緣為對(duì)象，通過有限元計(jì)算，分析其前緣結(jié)構(gòu)在鳥體撞擊下的損傷特征，研究鳥撞沖擊能量的耗散途徑，考察不同撞擊位置對(duì)機(jī)翼結(jié)構(gòu)動(dòng)響應(yīng)及鳥撞能量耗散的影響.

1 計(jì)算模型

1.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

本研究選取了某型無人機(jī)機(jī)翼前緣中兩翼肋間的部分進(jìn)行分析，如圖1所示.

圖1 機(jī)翼前緣模型示意圖

在有限元軟件PAM-CRASH中建立復(fù)合材料機(jī)翼前緣有限元模型，具體包括外蒙皮、蜂窩芯、內(nèi)蒙皮、泡沫、翼肋、角片以及后梁7部分.機(jī)翼前緣沿翼展長為400 mm，前緣距后梁為84 mm，后梁高度為72 mm.蜂窩芯厚度為5 mm，外側(cè)蒙皮厚度為0.375 mm，內(nèi)側(cè)蒙皮厚度為0.125 mm；翼肋厚度為2.4 mm；后梁與角片厚度為3.6 mm；鳥體質(zhì)量為80g，撞擊速度為130 m/s.翼肋、蒙皮和后梁均采用殼單元?jiǎng)澐?，單元邊長為2 mm；蜂窩芯、泡沫采用體單元來劃分，單元邊長為4 mm；因前緣結(jié)構(gòu)中的各部件通過膠粘材料連接，所以采用了有限元軟件中的TIED單元對(duì)其進(jìn)行模擬；鳥體采用SPH無網(wǎng)格粒子模擬.

將鳥體與機(jī)翼前緣各部分的接觸類型設(shè)置為點(diǎn)面接觸，建模中將SPH粒子設(shè)為從節(jié)點(diǎn)，被撞結(jié)構(gòu)設(shè)為主面段.同樣，將前緣結(jié)構(gòu)中各部分也采用點(diǎn)面接觸一一進(jìn)行設(shè)置.此外，由于在沖擊過程中，各部件自身會(huì)發(fā)生接觸，所以對(duì)于前緣結(jié)構(gòu)中各部件均采用自接觸的形式進(jìn)行約束.并將后梁進(jìn)行六自由度的約束以達(dá)到固支效果.

1.2 材料模型

外蒙皮由三層復(fù)合材料單向帶組成，最外層為玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基材料，其余兩層為碳纖維增強(qiáng)樹脂基材料.內(nèi)蒙皮由一層玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基材料組成.翼肋與后梁均由碳纖維增強(qiáng)樹脂基材料單向帶組成，本研究的坐標(biāo)系定義為：x方向?yàn)橐碚狗较?，y方向平行與翼面由后緣指向前緣，z方向垂直xoy平面向上，鋪層順序見表1，鋪層順序均由前緣指向后梁.

表1 蒙皮、翼肋與后梁鋪層順序

本研究復(fù)合材料部件選用Lavadèze正交各向異性復(fù)合材料單層模型[6]，圖2為該模型下復(fù)合材料的自然坐標(biāo)系，本構(gòu)關(guān)系如式(1)所示.

圖2 復(fù)合材料自然坐標(biāo)系

(1)

式中，ε11為纖維方向應(yīng)變,ε22為垂直纖維方向應(yīng)變,ε12、ε23、ε13分別為相應(yīng)方向上的剪切應(yīng)變；σ11為纖維方向應(yīng)力,σ22為垂直纖維方向應(yīng)力,σ12、σ23、σ13分別為相應(yīng)方向上剪切應(yīng)力，/GPa；E1、E2分別為纖維方向和垂直于纖維方向的彈性模量；G12為1，2平面剪切模量,G23為2，3平面剪切模量,G13為1，3平面剪切模量，/GPa；v12為泊松比.

1)在纖維方向上(1-方向)，若ε11>0，材料受拉，此時(shí),

(2)

若ε11<0，材料受壓，此時(shí),

(3)

2)在橫向上(2-方向)，若ε22>0，則材料受拉，此時(shí),

(4)

若ε22>0，材料受壓，此時(shí),

(5)

3)剪切模量可表示為,

(6)

式(2)～(6)中，d為損傷因子，dft為纖維拉伸損傷因子，dfc為纖維壓縮損傷因子，d′為基體橫向損傷因子.相關(guān)參數(shù)如表2所示

表2 復(fù)合材料面板本構(gòu)模型參數(shù)[1,7-9]

蜂窩芯幾何形式為正六邊形，如圖3所示，其材料力學(xué)方向可以分為T向(蜂窩芯高度方向)、W向(孔格展開方向)、L向(垂直于孔格展開方向)，其材料參數(shù)如表3所示.

圖3 蜂窩芯力學(xué)性能方向

表3 Nomex蜂窩的材料參數(shù)[7-9]

泡沫材料為硬質(zhì)聚甲基丙烯酰亞胺ROHACELL 71HF，其材料屬性如表4所示.

表4 泡沫材料力學(xué)特性[7-9]

對(duì)膠粘的模擬選取有限元軟件中的TIED單元類型，膠粘單元的相關(guān)參數(shù)如表3所示.

表5 膠粘單元參數(shù)[7-9]

采用Murnaghan狀態(tài)方程模擬鳥體材料，此本構(gòu)模型可用于描述近似流體的材料，即，

(8)

式中，P0為撞擊初始?jí)毫?，?為鳥體初始密度.通過優(yōu)化反演的方法獲取了B=17.96，r=15.92[10]，B和r均為無量綱常數(shù).

2 計(jì)算結(jié)果

通過有限元計(jì)算獲取鳥撞機(jī)翼前緣動(dòng)響應(yīng)過程如圖4所示.從圖4可以看出，當(dāng)鳥體以130m/s速度正面沖擊機(jī)翼前緣時(shí)，在撞擊位置處機(jī)翼蒙皮未被穿透，蒙皮結(jié)構(gòu)保持相對(duì)完整，證明該結(jié)構(gòu)具有一定的抗鳥撞能力.而鳥體則被前緣分散為上下兩部分，并遠(yuǎn)離前緣.圖5為鳥體正面撞擊時(shí)機(jī)翼前緣各部分的變形圖，可以看出，撞擊位置處外蒙皮、泡沫與蜂窩芯發(fā)生變形，內(nèi)側(cè)蒙皮與蜂窩芯脫黏，翼肋和后梁未發(fā)生明顯塑性變形.

圖4 鳥體正面撞擊機(jī)翼前緣的動(dòng)響應(yīng)

(a)外側(cè)蒙皮變形

圖6為沖擊過程中鳥體與機(jī)翼前緣各部分能量變化情況.由圖6可知，鳥體初始動(dòng)能為687.98 J，沖擊結(jié)束后鳥體動(dòng)能為286.17 J.沖擊能量大部分轉(zhuǎn)化為鳥體自身破壞所需內(nèi)能，由于泡沫變形較大，在前緣結(jié)構(gòu)中吸收的能量為最多，其內(nèi)能增加了116.62 J；蜂窩芯與蒙皮各吸收了97.78 J與66.11 J的能量.

圖6 正面撞擊時(shí)機(jī)翼前緣時(shí)各部分能量變化情況

3 撞擊位置對(duì)鳥撞結(jié)構(gòu)動(dòng)響應(yīng)的影響

改變鳥體撞擊機(jī)翼前緣的位置，研究撞擊位置對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)結(jié)果的影響.除正面撞擊機(jī)翼前緣位置外，其余分別考察鳥體正面撞擊翼肋位置處和鳥體由斜上方兩個(gè)位置撞擊.

3.1 鳥體正面撞擊翼肋位置處

圖7為鳥體撞擊機(jī)翼前緣翼肋位置處時(shí)的動(dòng)響應(yīng)圖，圖8為撞擊翼肋位置處時(shí)機(jī)翼前緣各部分的變形圖.可以看出，撞擊位置處外蒙皮發(fā)生破損，泡沫、蜂窩芯與翼肋前端發(fā)生明顯變形，后梁未發(fā)生明顯變形.

圖7 鳥撞機(jī)翼前緣翼肋位置處時(shí)的動(dòng)響應(yīng)示意圖

(a)蒙皮變形

圖9為此次鳥撞過程中鳥體與機(jī)翼前緣各部分的能量變化情況.由圖9可知，鳥體初始動(dòng)能為687.98 J，沖擊結(jié)束后鳥體動(dòng)能為205.80 J，可見鳥體自身破壞所需要的能量仍占很大一部分，為142.83 J.其中,外蒙皮由于發(fā)生了較大的破損與變形，吸收的能量占整個(gè)前緣結(jié)構(gòu)能量中最多，為118.22 J；泡沫、翼肋、蜂窩芯和內(nèi)外蒙皮均產(chǎn)生了變形，分別吸收84.43 J、63.69 J和18.36 J的動(dòng)能.

圖9 鳥撞機(jī)翼前緣翼肋處時(shí)各部分能量變化情況

3.2 鳥體由斜上方撞擊機(jī)翼前緣

圖10為鳥體由斜上方撞擊機(jī)翼前緣時(shí)的動(dòng)響應(yīng)圖，圖11為前緣各部分在此次撞擊過程中的變形圖.由圖可知，撞擊處蒙皮發(fā)生破損，蜂窩芯發(fā)生變形，鳥體散射，其他部分未發(fā)生明顯損傷與變形.

圖10 鳥體由斜上方撞擊機(jī)翼前緣動(dòng)響應(yīng)示意圖

(a)外蒙皮破損

圖12為此次鳥撞過程中鳥體與機(jī)翼前緣各部分能量變化情況.由圖12可知，鳥體初始動(dòng)能為687.98 J，沖擊結(jié)束后鳥體動(dòng)能為83.96 J，大部分能量仍轉(zhuǎn)化為鳥體自身破壞所需要的內(nèi)能.其中，撞擊處蜂窩芯發(fā)生了較大變形，吸收了176.30 J的能量，占整個(gè)前緣結(jié)構(gòu)能量中最多；內(nèi)外蒙皮共吸收173.44 J能量.

圖12 鳥體由斜上方撞擊時(shí)機(jī)翼前緣各部分能量變化情況

4 結(jié) 論

本研究建立了鳥撞復(fù)合材料機(jī)翼前緣有限元模型，通過計(jì)算獲取機(jī)翼前緣各部分能量變化情況，了解鳥撞機(jī)翼前緣的動(dòng)響應(yīng)過程及各部分吸能情況，考察鳥撞不同前緣位置時(shí)對(duì)機(jī)翼前緣造成的損傷差異與能量耗散差異,并得到如下結(jié)論：

1)當(dāng)鳥體正面撞擊機(jī)翼前緣時(shí)，填充在前緣前端的泡沫材料以及撞擊位置處的蒙皮發(fā)生顯著變形，機(jī)翼蒙皮未被穿透，機(jī)翼結(jié)構(gòu)保持相對(duì)完整；沖擊中大部分能量轉(zhuǎn)化為鳥體自身破壞所需的內(nèi)能，泡沫吸收的能量最多.

2)當(dāng)鳥體撞擊翼肋位置處時(shí)，撞擊位置處的蒙皮發(fā)生破損，翼肋前端發(fā)生變形，泡沫以及蜂窩芯變形較為明顯，此時(shí)鳥體動(dòng)能轉(zhuǎn)換為鳥體自身內(nèi)能以及翼肋、泡沫、蜂窩芯、蒙皮的內(nèi)能，外蒙皮吸收能量最多.

3)當(dāng)鳥體由斜上方撞擊機(jī)翼前緣時(shí)，撞擊位置處蜂窩芯發(fā)生顯著變形，撞擊位置處內(nèi)外蒙皮發(fā)生較為嚴(yán)重的損壞，其余部分未發(fā)生損傷，鳥體動(dòng)能同樣轉(zhuǎn)換為鳥體內(nèi)能以及蜂窩芯、蒙皮的內(nèi)能，蜂窩芯吸收能量最多.

4)撞擊位置的不同導(dǎo)致了機(jī)翼前緣損傷情況的不同與能量耗散途徑的不同，但是以上3種撞擊情況都未造成后梁損傷，避免了機(jī)翼中油路、控制系統(tǒng)的進(jìn)一步破壞.