飛機機翼內(nèi)墊曲線式褶皺夾層結(jié)構(gòu)的抗鳥撞性能研究

張 煌,李耀明,原梅妮

(1.中北大學(xué) 機械工程學(xué)院, 太原 030051; 2.中北大學(xué) 機電工程學(xué)院， 太原 030051)

1 引言

軍用飛機在高空運行過程中常與鳥類發(fā)生碰撞而造成嚴(yán)重傷害事故。自1903年飛機進入人類世界后，軍用飛機鳥撞事故不斷。據(jù)統(tǒng)計，近年來全世界每年大約發(fā)生千余次“鳥撞”事故。正是由于鳥撞事故對機體結(jié)構(gòu)和人員安全帶來嚴(yán)重危害，我國近年先后制定了各種抗鳥撞軍標(biāo)、航標(biāo)和規(guī)范，分別對軍機的風(fēng)擋、機翼、尾翼的鳥撞設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、鳥重、驗證方法等作了具體規(guī)定。

鳥撞試驗是采用空氣炮裝置，利用壓縮空氣驅(qū)動做成炮彈狀的家雞或者人工鳥(簡稱鳥彈)，沿著炮管加速至要求的速度后撞擊飛機考核結(jié)構(gòu)，鳥彈飛行速度由激光測量。關(guān)于機翼鳥撞問題，部分學(xué)者采用了仿真分析和鳥撞試驗相結(jié)合方法。如任冀賓采用非線性動力學(xué)軟件PAM-CRASH和鳥撞試驗結(jié)合優(yōu)化了某型飛機機翼前緣結(jié)構(gòu)，不僅使該結(jié)構(gòu)滿足抗鳥撞性能，且實現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重30%。王會利采用非線性動力學(xué)軟件PAM-CRASH和鳥撞試驗結(jié)合獲取復(fù)合材料機翼前緣結(jié)構(gòu)抗鳥撞應(yīng)變力曲線和撞擊力曲線，并優(yōu)化其結(jié)構(gòu)。劉永強等通過鳥撞試驗和仿真分析對復(fù)合面板蜂窩夾芯材料、鋁合金材料、金屬面板蜂窩夾芯材料、Glare層板蒙皮進行吸能對比，得出4種材料的抗鳥撞性能優(yōu)劣排序為：Glare蒙皮、金屬面板蜂窩夾芯、復(fù)合面板蜂窩夾芯、鋁合金。鳥撞試驗花費昂貴，大部分學(xué)者們在鳥撞仿真分析方面開展了大量研究工作。

對于機翼鳥撞問題，已有學(xué)者做了一些研究。如杜龍采用歐拉-拉格朗日方法研究了某型無人機機翼前緣的鳥撞問題，研究了鳥體速度、密度、蒙皮鋪層等對鳥撞動態(tài)響應(yīng)等一系列問題。米保衛(wèi)等研究得出張力蒙皮可有效提高機翼抗鳥撞性能。陳衛(wèi)峰等對不同鋪層的Glare層合蒙皮進行了抗鳥撞分析，結(jié)果表明3/4構(gòu)型的Glare層合蒙皮抗鳥撞性能最優(yōu)?？琢钣碌炔捎么笮蜕逃密浖am-crash對某復(fù)合材料尾翼結(jié)構(gòu)抗鳥撞性能進行了分析，開展了復(fù)合材料動態(tài)力學(xué)性能測試本構(gòu)模型參數(shù)的標(biāo)定?；粲昙训纫阅承蜔o人機復(fù)合材料機翼前緣為對象，采用有限元方法分析機翼前緣結(jié)構(gòu)在鳥體撞擊下的損傷特征等。王富生等在鳥撞數(shù)值仿真中根據(jù)試驗結(jié)果采用優(yōu)化反演方法實現(xiàn)鳥體參數(shù)確定。這些抗鳥撞設(shè)計多集中于復(fù)合材料和內(nèi)嵌斜支板結(jié)構(gòu)，而金屬折疊式夾層板具有良好的吸能特性，已用于船舶耐撞，抗爆防護等領(lǐng)域。張延昌等對折疊式夾層板橫向壓皺吸能特性和抗撞擊性能進行研究，得出折疊式夾層結(jié)構(gòu)在橫向壓縮和碰撞載荷作用下具有良好吸能特性。叢立新等對改進V-型復(fù)合褶皺夾芯結(jié)構(gòu)的壓縮性能進行研究，研究發(fā)現(xiàn)相對密度變化不僅對該結(jié)構(gòu)力學(xué)性能產(chǎn)生影響，而且導(dǎo)致其破壞模式轉(zhuǎn)變。楊晶晶采用有限元方法研究了面板厚度、芯層壁厚等因素對鋁褶皺夾層板的抗低俗沖擊特性。熊健等概述了其研究團隊復(fù)合材料點陣夾心結(jié)構(gòu)、褶皺夾芯結(jié)構(gòu)、蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)對應(yīng)的拓?fù)錁?gòu)型設(shè)計和制備工藝。但目前褶皺夾層結(jié)構(gòu)對于機翼蒙皮抗鳥撞設(shè)計的研究相對較少。本研究中提出一種內(nèi)墊曲線式褶皺夾層結(jié)構(gòu)，從蒙皮破損圖，蒙皮最大位移，吸能特性三方面對鋁合金內(nèi)墊褶皺蒙皮和鋁合金單蒙皮結(jié)構(gòu)進行分析對比。

2 內(nèi)墊曲線褶皺夾層蒙皮介紹

內(nèi)墊曲線褶皺夾層結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括有3層結(jié)構(gòu),外蒙皮、曲線褶皺夾層(以后統(tǒng)稱為褶皺夾層)、內(nèi)蒙皮三部分組成。機翼前緣是鳥撞事故破損最為嚴(yán)重區(qū)域，所以在機翼前緣部位設(shè)置褶皺夾層。其中內(nèi)蒙皮距外蒙皮間距設(shè)置為65 mm，內(nèi)蒙皮深度設(shè)置為450 mm，褶皺夾層距內(nèi)外蒙皮的間距設(shè)置為5 mm。由于機翼特殊的氣動外形，褶皺夾層設(shè)計由1個主弧面、10個側(cè)弧面、10個支撐面組成。

其中外蒙皮保持機翼外表面的平整性和氣動外形，是鳥撞事故的第一道防線。褶皺夾層在鳥撞事故主要呈現(xiàn)吸能特性，是鳥撞事故的第二道防線。內(nèi)蒙皮主要用于保護機翼內(nèi)部結(jié)構(gòu)，是鳥撞事故的最后一道防線。

圖1 內(nèi)墊曲線式褶皺夾層結(jié)構(gòu)Fig.1 The inner cushioned curved layer structure

3 鳥撞機翼有限元模型

3.1 鳥體模型

本文中基于ANSYS/LS-DYNA平臺采用Lagrange法將鳥體模型定義為兩端半球體，中間圓柱(球體半徑為0.05 m，中間圓柱長為0.188 m)進行模擬，質(zhì)量為1.81 kg。將鳥體模型定義為實體單元(SOLID164)劃分為4 224個單元，材料選用各向同性彈塑性材料。鳥體參數(shù)見表1所示。

表1 鳥體材料參數(shù)Table 1 Brid body material parameters

3.2 機翼模型

機翼模型選用NACA0010翼型，選取展長600 mm，前緣長度900 mm的單盒段進行模擬見圖1所示。機翼采用SHELL163單元，機翼邊界采用固接，機翼材料選為2024-鋁合金材料，其材料參數(shù)見表2所示。

表2 鋁合金材料參數(shù)Table 2 Aluminum alloy material parameters

3.2.1 單蒙皮結(jié)構(gòu)

蒙皮厚度取3 mm，蒙皮劃分為12 000個單元，機翼模型參照圖1的機翼模型建立。

圖2 鳥撞機翼模型Fig.2 Bird wing model

3.2.2 內(nèi)墊褶皺蒙皮結(jié)構(gòu)

內(nèi)、外蒙皮取2.5 mm，褶皺層取1.5 mm。將內(nèi)墊褶皺蒙皮結(jié)構(gòu)外蒙皮劃分為12 000個單元，褶皺層劃分為4 400個單元，內(nèi)蒙皮劃分為2 000個單元。

圖3 內(nèi)墊曲線式褶皺夾層結(jié)構(gòu)模型Fig.3 The structure model of the inner cushioned curve

4 模型驗證

為驗證所建立鳥撞模型的合理性。將試驗中的鳥撞過程進行模擬，其鳥體質(zhì)量為3.6 kg，蒙皮厚度2.5 mm，蒙皮材料為2024-Al。鳥撞速度為伊爾76飛機平飛的海平面速度。

結(jié)果顯示，模型在鳥撞過程中被穿透，形成一個“十”字形缺口，與試驗中鋁合金蒙皮的穿透破損情況相同(見圖4)?？芍B撞機翼有限元模型正確。

圖4 試驗和仿真破損形狀對比Fig.4 The test is in contrast to the simulated damage

圖5為仿真與試驗的鳥體動能時間-變化曲線對比圖。在Ⅰ(0～2 ms)區(qū)鳥體撞擊到蒙皮上，蒙皮破損吸收能量，鳥體動能不斷下降，到了Ⅱ(2～15 ms)鳥體穿透了蒙皮，動能穩(wěn)定，將圖中仿真與試驗的鳥體動能-時間變化曲線對比，結(jié)果較為吻合，可得所建的鳥撞機翼有限元模型正確。

圖5 仿真與試驗動能-時間對比圖Fig.5 The simulation and experimental kinetic energy- time comparison chart

表3中試驗中蒙皮吸能效率為18.7%，仿真中蒙皮吸能效率為17.7%。兩者相差僅為2%。可知所建的鳥撞機翼有限元模型正確。

綜上所述，本文中所建的鳥撞機翼有限元模型正確。

表3 仿真與試驗吸能效率對比Table 3 The simulation and experimental energy absorption efficiency

5 2種結(jié)構(gòu)對比分析

本節(jié)對64.8 km/h、210 km/h、300 km/h、370 km/h四種速度下鋁合金內(nèi)墊曲線褶皺夾層結(jié)構(gòu)和鋁合金單蒙皮結(jié)構(gòu)進行仿真，并對2種結(jié)構(gòu)的鳥撞破損，外蒙皮最大位移，吸能特性3個方面進行分析對比。結(jié)果顯示鋁合金內(nèi)墊褶皺蒙皮結(jié)構(gòu)有著較好的抗鳥撞性能。

5.1 鳥撞破損分析

圖6為4種速度下鋁合金單蒙皮結(jié)構(gòu)和鋁合金內(nèi)墊褶皺蒙皮結(jié)構(gòu)進行了損傷對比圖。

圖6 10 ms時不同速度下2種結(jié)構(gòu)的鳥撞損傷圖Fig.6 The two kinds of structure under different speed of bird strike damage in 10 ms

由圖6可知，鋁合金單蒙皮結(jié)構(gòu)與鋁合金內(nèi)墊褶皺蒙皮結(jié)構(gòu)在64.8 km/h速度下鳥體均未擊穿鋁合金外蒙皮。在210 km/h速度下鳥體對鋁合金單蒙皮造成一定破壞形成了一個“十”字形缺口，鳥體未穿透單蒙皮，但鳥體碎片進入機翼內(nèi)部；鋁合金內(nèi)墊褶皺夾層結(jié)構(gòu)外蒙皮產(chǎn)生輕微破損，內(nèi)蒙皮未產(chǎn)生破損，有效地保護了機翼內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在300 km/h速度下鳥體穿透鋁合金單蒙皮結(jié)構(gòu)，鳥體進入機翼內(nèi)部；而鋁合金內(nèi)墊褶皺蒙皮結(jié)構(gòu)外蒙皮產(chǎn)生了“十”字形裂紋，內(nèi)蒙皮并未破損。在370 km/h速度下，鳥體直接穿透了蒙皮，在鋁合金外蒙皮上形成了一個較大缺口；而內(nèi)墊褶皺蒙皮結(jié)構(gòu)在外蒙皮形成了“十”字形缺口，內(nèi)蒙皮也產(chǎn)生了一個微小的缺口，但是鳥體未穿透褶皺結(jié)構(gòu)，有效保護了機翼內(nèi)部結(jié)構(gòu)。內(nèi)墊褶皺蒙皮結(jié)構(gòu)抗鳥撞性能良好的原因是鳥體撞擊在外蒙皮上，其撞擊力分散給褶皺層、內(nèi)蒙皮、外蒙皮，褶皺層在碰撞過程中吸收一部分鳥體動能，有效提高了其抗鳥撞能力(見圖7)。

圖7 300 km/h速度下褶皺層破損圖Fig.7 300 km/h speed below the ruptured layer of the fold

5.2 蒙皮最大位移分析

表4為鳥撞擊速度分別為：64.8 km/h、210 km/h、300 km/h、370 km/h下，鋁合金內(nèi)墊褶皺夾層結(jié)構(gòu)外內(nèi)蒙皮最大位移和鋁合金單蒙皮最大位移情況。由表4可知：鋁合金內(nèi)墊褶皺夾層結(jié)構(gòu)外蒙皮最大位移均小于鋁合金單蒙皮結(jié)構(gòu)，在64.8 km/h的速度下，因速度較小，鳥體在外蒙皮與褶皺夾層的作用下被反彈出去，未接觸到內(nèi)蒙皮，所以內(nèi)蒙皮最大位移為0 mm。在210 km/h的速度下，鳥體撞擊外蒙皮上，外蒙皮產(chǎn)生了21.66 mm的位移，褶皺夾層吸收了一部分鳥體動能向后移動，使內(nèi)蒙皮產(chǎn)生較小位移(0.7 mm)。在300 km/h的速度下，因其速度較大，外蒙皮產(chǎn)生了較大位移，內(nèi)蒙皮產(chǎn)生了較大的位移(9.2 mm)。在370 km/h的速度下，速度進一步提高，內(nèi)蒙皮最大位移達到了47mm，且外蒙皮最大位移已超過了原始內(nèi)外蒙皮的間距近30mm，說明內(nèi)蒙皮已破損。

表4 不同速度下2種結(jié)構(gòu)蒙皮最大位移(mm)Table 4 The maximum displacement of the skin of two structures at different velocities

5.3 鳥體動能變化分析

圖8為鳥撞擊速度分別為：64.8 km/h、210 km/h、300 km/h、370 km/h四種速度下鋁合金單蒙皮結(jié)構(gòu)和鋁合金內(nèi)墊褶皺蒙皮結(jié)構(gòu)下鳥體動能-時間變化曲線。由圖8(a) 可知當(dāng)鳥撞速度為64.8 km/h時，鋁合金單蒙皮和鋁合金內(nèi)墊褶皺蒙皮結(jié)構(gòu)均出現(xiàn)回彈現(xiàn)象，且2種結(jié)構(gòu)下鳥體動能減少為0 J的時間基本相同，單蒙皮結(jié)構(gòu)下鳥體剩余動能為75 J，鋁合金內(nèi)墊褶皺蒙皮結(jié)構(gòu)下剩余動能為14.3 J，所以鋁合金單蒙皮結(jié)構(gòu)吸收鳥體動能少。由圖8 (b) 可知當(dāng)鳥撞速度為210 km/h時，鋁合金單蒙皮和鋁合金內(nèi)墊褶皺蒙皮結(jié)構(gòu)均出現(xiàn)了回彈現(xiàn)象，鋁合金內(nèi)墊褶皺蒙皮結(jié)構(gòu)鳥體動能減少為0J的時間比鋁合金單蒙皮結(jié)構(gòu)早了近3 ms，鋁合金單蒙皮結(jié)構(gòu)下鳥體剩余動能為246 J，鋁合金內(nèi)墊褶皺蒙皮結(jié)構(gòu)下剩余動能為111 J，同樣鋁合金單蒙皮結(jié)構(gòu)吸收鳥體動能少。由圖8 (c) 可知當(dāng)鳥撞速度為300 km/h時，鳥體穿透蒙皮進入機翼內(nèi)部剩余動能為915 J；而內(nèi)墊褶皺蒙皮結(jié)構(gòu)鳥體未穿透且產(chǎn)生回彈，鳥體向后彈出動能為241 J。由圖8 (d) 可知當(dāng)鳥撞速度為370 km/h時，單蒙皮結(jié)構(gòu)被破壞，鳥體穿透蒙皮進入機翼內(nèi)部動能穩(wěn)定在2 760 J；而內(nèi)墊褶皺蒙皮結(jié)構(gòu)鳥體未穿透且產(chǎn)生回彈，鳥體向后彈出動能為111 J。在63.8 km/h和210 km/h鳥體撞擊速度下鋁合金單蒙皮結(jié)構(gòu)與鋁合金內(nèi)墊褶皺蒙皮結(jié)構(gòu)鳥體均產(chǎn)生回彈現(xiàn)象，鋁合金單蒙皮結(jié)構(gòu)吸收的鳥體動能較少；在300 km/h和370 km/h鳥體撞擊速度下，鋁合金單蒙皮結(jié)構(gòu)均被穿透，而鋁合金內(nèi)墊褶皺蒙皮結(jié)構(gòu)均未被擊穿，有效地保護了機翼內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖8 不同速度下鳥體動能-時間變化圖Fig.8 The bird body under different speed kinetic energy-time variation

6 結(jié)論

本文中主要從蒙皮破損情況、外蒙皮最大位移、結(jié)構(gòu)吸能特性3個角度研究鋁合金內(nèi)墊曲線式褶皺夾層結(jié)構(gòu)和鋁合金單蒙皮結(jié)構(gòu)的抗鳥撞性能：

1) 當(dāng)鳥撞速度為300 km/h，鳥體穿透鋁合金單蒙皮結(jié)構(gòu)，而鋁合金內(nèi)墊褶皺蒙皮結(jié)構(gòu)外蒙皮產(chǎn)生了“十”字形裂紋，內(nèi)蒙皮并未破損。

2) 當(dāng)鳥撞擊鋁合金單蒙皮結(jié)構(gòu)和鋁合金內(nèi)墊褶皺夾層結(jié)構(gòu)，鋁合金內(nèi)墊褶皺夾層結(jié)構(gòu)外蒙皮最大位移遠(yuǎn)小于鋁合金單蒙皮結(jié)構(gòu)。如當(dāng)鳥撞速度為210 km/h，鋁合金單蒙皮結(jié)構(gòu)產(chǎn)生73.6 mm的位移，而鋁合金內(nèi)墊褶皺外蒙皮僅產(chǎn)生21.66 mm的位移。

3) 相對于鋁合金單蒙皮結(jié)構(gòu)，鋁合金內(nèi)墊褶皺夾層結(jié)構(gòu)吸收鳥體撞擊動能大幅提高，有效保護了機翼內(nèi)部結(jié)構(gòu)。當(dāng)鳥撞速度為300 km/h時，鳥體穿透鋁合金單蒙皮進入機翼內(nèi)部剩余動能為915 J；而內(nèi)墊褶皺蒙皮結(jié)構(gòu)鳥體未穿透且產(chǎn)生回彈，鳥體向后彈出動能為241 J。