變彎度機(jī)翼前緣結(jié)構(gòu)抗鳥撞仿真與試驗驗證

郭 軍， 李旭陽， 劉小川， 王計真， 張 宇

(中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所 結(jié)構(gòu)沖擊動力學(xué)航空重點(diǎn)試驗室，西安 710065)

近年來飛機(jī)遭遇鳥撞的事故經(jīng)常出現(xiàn)在各種媒體的報道上，鳥撞就是飛鳥與高速運(yùn)動物體之間的撞擊，高速運(yùn)動的汽車、火車、高鐵、飛機(jī)等均有可能與飛鳥發(fā)生撞擊，特別是飛機(jī)受到鳥類撞擊時往往會發(fā)生嚴(yán)重的安全事故[1-3]。由于飛行速度快，飛機(jī)結(jié)構(gòu)與飛鳥撞擊后常會出現(xiàn)極大的破壞，嚴(yán)重時甚至?xí)斐娠w機(jī)墜毀，所以飛鳥也是威脅航空安全的重要因素之一。中低空飛行的軍、民用飛機(jī)的飛行速度很高，一般在500～700 km/h，相對于高空而言，中低空飛行的飛機(jī)可能會遭遇更大質(zhì)量的飛鳥(重達(dá)數(shù)千克)或大群的中小型飛鳥，大質(zhì)量飛鳥與飛機(jī)的高速撞擊極有可能導(dǎo)致飛機(jī)結(jié)構(gòu)損壞，大量的中小型飛鳥吸入發(fā)動機(jī)有可能導(dǎo)致發(fā)動機(jī)起火或停止運(yùn)行，都會對飛機(jī)的飛行安全造成嚴(yán)重影響[4]?，F(xiàn)代飛機(jī)雖然整體承載能力很強(qiáng)，但鳥撞是局部沖擊載荷，據(jù)估算，當(dāng)一只1 kg 的飛鳥以500 km的速度撞擊結(jié)構(gòu)時候，沖擊載荷峰值會達(dá)到20 t以上，與飛鳥直接撞擊的結(jié)構(gòu)往往會發(fā)生局部大變形甚至破壞，嚴(yán)重時會導(dǎo)致飛機(jī)失去完成任務(wù)的能力。

國內(nèi)外對于鳥撞問題的研究，通常采用仿真分析和試驗相結(jié)合的方法[5-6]，在設(shè)計之初，盡可能采用仿真分析對虛擬樣機(jī)的抗鳥撞損傷的能力進(jìn)行評估，待物理樣機(jī)制造出來后，再用試驗進(jìn)行驗證，這樣可以最大限度降低試驗成本，同時也大大減少了試驗的盲目性，這也是目前國外試驗技術(shù)的基本趨勢[7]。

對于飛行器飛行安全來說，鳥撞是必需要考慮的問題，民機(jī)變彎度機(jī)翼前緣與常規(guī)機(jī)翼前緣采用相同的適航符合性標(biāo)準(zhǔn)[8]，即：飛行器海平面巡航速度為Vc或2 450 m高度飛行器速度為0.85 Vc兩者工況較為嚴(yán)峻的飛行時，機(jī)翼應(yīng)能承受1.8 kg飛鳥撞擊，前緣不被擊穿(或變形過大)；當(dāng)機(jī)翼不含液壓或其他設(shè)備時，前緣可以凹陷或穿孔，但不可導(dǎo)致大梁緣條破壞，影響飛行安全。對于可變彎度機(jī)翼來說，遭受鳥撞時，應(yīng)保證變彎度驅(qū)動機(jī)構(gòu)正常工作，飛機(jī)能夠安全著陸。

為符合相關(guān)條款要求，需開展結(jié)構(gòu)抗鳥撞驗證，抗鳥撞驗證方法包括分析和試驗2種。顯式非線性有限元法是目前抗鳥撞分析的主要手段[9-11]，鳥撞數(shù)值分析需經(jīng)過試驗驗證，并經(jīng)適航當(dāng)局認(rèn)可。

楔形裝置常被應(yīng)用于結(jié)構(gòu)抗鳥撞設(shè)計中[12]，常見楔形如圖1所示。本文研究了3種不同類型楔形裝置的抗鳥撞性能，得到最合理、有效的抗鳥撞結(jié)構(gòu)。根據(jù)分析結(jié)果，結(jié)合機(jī)翼機(jī)構(gòu)運(yùn)動路線，確定抗鳥撞結(jié)構(gòu)的設(shè)計空間，最終設(shè)計變彎度機(jī)翼結(jié)構(gòu)的抗鳥撞裝置，實現(xiàn)機(jī)翼抗鳥撞的目的。

圖1 楔形結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of wedge structure

1 楔形裝置設(shè)計及抗鳥撞仿真

1.1 有限元模型

1.1.1 數(shù)值計算模型

依據(jù)可變彎度機(jī)翼項目組提供的前緣構(gòu)型設(shè)計抗鳥撞結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的設(shè)計滿足不影響機(jī)翼變彎功能的準(zhǔn)則，如圖2所示。本文設(shè)計并建立了三角形、弧形以及三角加弧形3種抗鳥撞裝置。3種結(jié)構(gòu)的剖面尺寸圖及有限元模型如3～圖5所示。

圖2 變彎度機(jī)翼機(jī)構(gòu)運(yùn)動路線與抗鳥撞裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the movement route of the variable camber wing mechanism and the anti-bird strike device

圖3 三角形結(jié)構(gòu)(mm)Fig.3 Triangle structure (mm)

三角形結(jié)構(gòu)的剖面尺寸圖及有限元模型見圖3，整體結(jié)構(gòu)為底205 mm，高為260 mm的三角形，壁厚為3 mm的鋁板，總質(zhì)量為2.35 kg。

圖4 弧形結(jié)構(gòu)(mm)Fig.4 Arc structure(mm)

弧形結(jié)構(gòu)的剖面尺寸圖及有限元模型見圖4，整體結(jié)構(gòu)由205 mm的底與半徑分別為635 mm和35 mm的圓弧組成，壁厚為3 mm的鋁板，總質(zhì)量為3.83 kg。

三角加弧形結(jié)構(gòu)的剖面尺寸圖及有限元模型見圖5所示，整體結(jié)構(gòu)底為206 mm，前端部位分別由半徑為2 mm、150 mm和240 mm的圓弧組成，壁厚為3 mm的鋁板，總質(zhì)量為3.9 kg。

圖5 三角加弧形結(jié)構(gòu)Fig.5 Triangle and arc structure

1.1.2 材料模型

鳥體外形為兩端為半球體的圓柱體，中間圓柱體長度為112.3 mm、半球體直徑為112.3 mm，總質(zhì)量為1.8 kg。鳥撞是高度非線性的過程，本文采用有限元分析軟件LS-DYNA進(jìn)行計算。鳥體的材料參數(shù)及狀態(tài)方程參數(shù)如表1所示。前緣結(jié)構(gòu)材料選用2A12-T0鋁合金，采用Johnson-Cook塑性率相關(guān)動態(tài)本構(gòu)模型(JC模型)描述鋁合金材料在動態(tài)沖擊方面的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。2A12-T0鋁合金材料參數(shù)如表2所示。

表1 鳥體材料參數(shù)

表2 2A12-T0鋁合金材料參數(shù)

1.1.3 接觸、邊界及載荷施加

鳥體與結(jié)構(gòu)的接觸采用關(guān)鍵字ERODING_NODES_TO_SURFACE來描述，結(jié)構(gòu)底座設(shè)置為完全固定，鳥體初速度設(shè)置為150 m/s，方向為結(jié)構(gòu)的對稱軸方向。計算時間設(shè)置為0.01 s，最小時間步長為2×10-8s，為節(jié)省計算時間，采用16核并行計算。

1.2 結(jié)果分析

1.2.1 變形模式分析

三角形結(jié)構(gòu)鳥撞后，結(jié)構(gòu)本身損傷不嚴(yán)重，鳥體被結(jié)構(gòu)分割成兩半，然后將后面的梁擊穿，結(jié)構(gòu)變形如圖6所示。

圖6 三角形結(jié)構(gòu)鳥撞變形圖Fig.6 Deformation of triangle structure

弧形結(jié)構(gòu)在一開始就出現(xiàn)大的結(jié)構(gòu)變形，隨著時間加長，結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破損，破碎的鳥體將后梁兩側(cè)擊穿，中間的鳥體及結(jié)構(gòu)碎片擊中后梁中心，造成后梁嚴(yán)重變形，結(jié)構(gòu)的變形模式如圖7所示。據(jù)此可判斷，該結(jié)構(gòu)破壞變形吸收部分能量，但不能有效保護(hù)梁前面的傳動機(jī)構(gòu)。

圖7 弧形結(jié)構(gòu)鳥撞變形圖Fig.7 Deformation of arc structure

根據(jù)前2種結(jié)構(gòu)鳥撞結(jié)果分析，考慮結(jié)構(gòu)分割鳥體和吸能的特性，將2種組合形成了第3種結(jié)構(gòu)，三角加弧形抗鳥撞結(jié)構(gòu)。

三角加弧形結(jié)構(gòu)鳥撞的前側(cè)和與三角形結(jié)構(gòu)一樣，但通過中側(cè)的弧形結(jié)構(gòu)將殘余鳥體引向兩邊，撞擊梁后未造成梁的損傷，結(jié)構(gòu)破壞模式如圖8所示。說明此結(jié)構(gòu)可以有效保護(hù)梁前的傳動機(jī)構(gòu)，同時也保護(hù)了梁的完整性。

圖8 三角加弧形結(jié)構(gòu)鳥撞變形圖Fig.8 Deformation of triangle and arc structure

1.2.2 能量分析

通過對上面3種結(jié)構(gòu)抗鳥撞分析的結(jié)果，可以直觀地看出弧形結(jié)構(gòu)破損嚴(yán)重，破碎的鳥體將后梁兩側(cè)擊穿，無法滿足抗鳥撞要求，而三角形和三角加弧形能滿足要求。

2種結(jié)構(gòu)鳥體動能時間歷程曲線，如圖9所示。在撞擊三角形結(jié)構(gòu)后，鳥體動能由最初的20.3 kJ衰減至9.34 kJ，撞擊三角加弧形結(jié)構(gòu)后，鳥體動能衰減至5.08 kJ。從圖9可知，三角加弧形結(jié)構(gòu)大大地衰減了鳥體動能，對后面結(jié)構(gòu)起到了較好的保護(hù)作用。2種結(jié)構(gòu)在受到鳥撞后內(nèi)能的時間歷程曲線，如圖10所示。從圖10可知，與三角形結(jié)構(gòu)相比，三角加弧形結(jié)構(gòu)能夠吸收更多的能量，更加有效地減少鳥體撞擊所帶來的后續(xù)機(jī)翼結(jié)構(gòu)的損傷破壞。

圖9 鳥體動能時間歷程曲線Fig.9 Kinetic energy history of bird

圖10 結(jié)構(gòu)內(nèi)能時間歷程曲線Fig.10 Internal energy history of structure

2 抗鳥撞裝置試驗驗證

2.1 抗鳥撞裝置

根據(jù)對3種楔形結(jié)構(gòu)抗鳥撞性能的分析，可以發(fā)現(xiàn)三角加弧形結(jié)構(gòu)能夠有效分割鳥體，保護(hù)梁的完整性，具有較為優(yōu)異的抗鳥撞性能。因此本節(jié)設(shè)計并制備了三角加弧形結(jié)構(gòu)作為變彎度機(jī)翼抗鳥撞結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗驗證。三角加弧形結(jié)構(gòu)的示意圖如圖11所示。

圖11 抗鳥撞裝置示意圖(mm)Fig.11 Anti-bird strike device(mm)

該裝置設(shè)計加工時，考慮制造的工藝對成本的影響，采用LF21進(jìn)行試驗件加工?？锅B撞裝置試驗件分別采用2 mm厚與3 mm厚的鋁板。

2.2 鳥撞試驗

變彎度機(jī)翼抗鳥撞裝置鳥撞試驗的目的為：①通過變彎度機(jī)翼抗鳥撞裝置鳥撞試驗，為考察變彎度機(jī)翼抗鳥撞裝置的抗鳥撞能力提供試驗依據(jù)；②通過考察變彎度機(jī)翼抗鳥撞裝置鳥撞試驗后損傷形式和損傷區(qū)域分布情況，為后續(xù)改進(jìn)設(shè)計提供試驗支撐；③為標(biāo)定仿真模型使能較精確地模擬鳥撞結(jié)果提供試驗數(shù)據(jù)。

2020年12月28日，在結(jié)構(gòu)沖擊動力學(xué)航空科技重點(diǎn)實驗室103廠房，進(jìn)行了該結(jié)構(gòu)的鳥撞試驗。試驗件分別用2 mm和3 mm厚度的抗鳥撞裝置。由于LF21鋁材太軟，2 mm的抗鳥撞裝置在151 m/s的撞擊速度下沒有達(dá)到抗鳥撞效果。為驗證設(shè)計效果，3 mm的試驗件進(jìn)行了130 m/s的鳥撞試驗，結(jié)果達(dá)到了抗鳥撞效果。鳥撞試驗在室溫環(huán)境下進(jìn)行。鳥撞試驗的順序及試驗參數(shù)，如表3所示。

表3 鳥撞試驗參數(shù)

2.2.1 試驗件安裝

試驗件的安裝角度為：撞擊點(diǎn)位置為抗鳥撞裝置前緣中心，與炮管軸線夾角為0°。試驗件通過工裝連接到承力墻上，承力墻固定在承力地軌上。試驗安裝情況如圖12所示。

圖12 裝置試驗安裝情況Fig.12 Installation of the device

2.2.2 試驗加載、測量設(shè)備及標(biāo)定

試驗采用空氣炮法，將規(guī)定質(zhì)量的鳥彈放入彈殼，裝進(jìn)空氣炮管中，啟動空氣壓縮機(jī)，當(dāng)壓力容器中的壓力達(dá)到所需值時，打開空氣釋放機(jī)構(gòu)，在壓縮空氣的作用下，將鳥彈發(fā)射，按預(yù)定的速度和方向撞擊試驗件的特定部位。

試驗設(shè)備包括空氣炮系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、激光瞄準(zhǔn)系統(tǒng)、激光測速系統(tǒng)、高速攝像系統(tǒng)、擋氣屏、鳥彈收集器。

采用2套測速系統(tǒng)，以保證鳥撞速度測量的可靠性和精度。

高速攝像系統(tǒng)用2臺高速數(shù)碼攝像機(jī)，其中1臺設(shè)置在試驗件斜前方，另外1臺設(shè)置在試驗件右側(cè)且與炮管軸線垂直，如圖13所示。

圖13 高速攝像機(jī)平面布置圖Fig.13 Plane layout of high speed camera

所有試驗中使用的設(shè)備均是完好設(shè)備，計量器具均有校準(zhǔn)/檢定證書，且在有效期內(nèi)。本次試驗所用儀器、設(shè)備清單如表4、表5所示。

表4 鳥撞試驗設(shè)備清單

表5 鳥撞試驗計量器具清單

2.2.3 試驗測量項目及測量方法

本次鳥撞試驗測量項目為鳥彈速度的測量。速度測量方法：采用高速激光測速法。測速裝置安裝在鳥彈飛行中途、擋氣屏之后、試驗件之前。在鳥彈飛行路徑上裝置距離為L的2個光幕，測量鳥彈飛過2個光幕的時間T，則鳥彈速度測量值為V=L/T。由于本次試驗鳥撞速度過高，為保證測速，還采用高速攝像測量方法進(jìn)行鳥撞速度測量，在撞擊點(diǎn)前方，通過高速攝像測量鳥彈通過0.4 m距離所用時間，得到鳥撞速度，高速攝像機(jī)拍攝速率為40 000幀/s。

2.2.4 測量數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理方法及結(jié)果

鳥彈的速度測量采用兩套激光測速系統(tǒng)及一臺高速攝像，一套測量無效時，以另一套的為準(zhǔn)；當(dāng)兩套測速均有效時，測量速度取兩套測速值的平均值作為測量結(jié)果。鳥撞試驗的鳥彈質(zhì)量記錄及速度測量結(jié)果，如表5所示。

表6 鳥撞試驗記錄表

2.3 結(jié)果分析

人工鳥彈撞擊試驗件前完整無破碎, 高速攝像視頻顯示彈著點(diǎn)準(zhǔn)確，撞擊速度偏差在±2%以內(nèi)，因此鳥撞試驗均為有效。鳥彈撞擊2 mm厚度抗鳥撞裝置試驗件的變形、破壞情況，如圖14、圖15所示?？锅B撞裝置在鳥撞過程中，鳥體被分開破碎，但裝置變形嚴(yán)重且根部發(fā)生剪切破壞。雖然實現(xiàn)了鳥體的分割破碎，但抗鳥撞裝置未能實現(xiàn)保護(hù)后部設(shè)施的目的，說明該抗鳥撞裝置強(qiáng)度不夠。

圖14 2 mm厚度裝置鳥撞變形過程Fig.14 Deformation process of 2 mm thick device

圖15 2 mm厚度裝置鳥撞破壞模式Fig.15 Failure of 2 mm thickness device

鳥彈撞擊3 mm試驗件的變形、破壞情況，如圖16、圖17所示。3 mm試驗件在鳥撞過程中，鳥體被分開破碎，試驗件發(fā)生變形，裝置保持了整體結(jié)構(gòu)形態(tài)?？锅B撞裝置實現(xiàn)了鳥體的分割破碎，達(dá)到保護(hù)后部設(shè)施的目的，說該抗鳥撞驗裝置滿足抗鳥撞設(shè)計要求。

圖16 3 mm厚度裝置鳥撞變形過程Fig.16 Deformation process of 3 mm thick device

圖17 3 mm厚度裝置鳥撞變形模式Fig.17 Deformation of 3 mm thickness device

3 結(jié)構(gòu)抗鳥撞仿真

3.1 仿真有效性驗證

根據(jù)3 mm厚度鳥撞裝置的試驗結(jié)果，本節(jié)對3 mm厚度的抗鳥撞結(jié)構(gòu)進(jìn)行了鳥撞仿真模擬，以驗證仿真模型的準(zhǔn)確性。真實試驗中，抗鳥撞裝置兩側(cè)通過螺栓固定在承力墻上，仿真模型中忽略螺栓，裝置兩側(cè)邊界條件設(shè)置為完全固支。

抗鳥撞裝置結(jié)構(gòu)采用3 mm厚度的LY12鋁材結(jié)構(gòu)，鳥撞速度為130 m/s。試驗用材為LF12，仿真材料為LY12，LY12與LF12材料之間僅存在材料破壞應(yīng)變的區(qū)別，仿真中設(shè)置鋁材料的破壞應(yīng)變?yōu)?60 MPa。鳥撞后結(jié)構(gòu)尖端出現(xiàn)一點(diǎn)破壞，其余結(jié)構(gòu)完好，仿真結(jié)果如圖18所示。

由圖18可知，整個抗鳥撞裝置保持了結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)型，鳥體被抗鳥撞裝置完全劈開，且殘余鳥體沿梁的平面飛向兩邊，成功保護(hù)了梁結(jié)構(gòu)不被破壞。仿真計算中軟件刪除了失效單元，而試驗結(jié)果失效的部分仍存在，只是發(fā)生了嚴(yán)重變形，而殘留的鳥體都未向后方飛濺。將兩者結(jié)果結(jié)構(gòu)的變形比較可知，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果基本一致，說明鳥撞仿真分析采用的建模方法及材料模型能比較準(zhǔn)確表述抗鳥撞裝置的結(jié)構(gòu)動態(tài)特性。

圖18 3 mm厚LF12鋁材鳥撞裝置變形歷程Fig.18 Simulation results of 2 mm thickness device

3.2 變彎度機(jī)翼結(jié)構(gòu)抗鳥撞仿真

3.2.1 無抗鳥撞裝置機(jī)翼鳥撞仿真分析

首先建立了不含抗鳥撞裝置的機(jī)翼鳥撞有限元模型。機(jī)翼模型內(nèi)部帶有變彎度機(jī)構(gòu)。模型的材料均按照變彎度機(jī)翼設(shè)計用的的材料。模型邊界在前梁的翻邊處固支，鳥體速度150 m/s。有限元模型如圖19所示。

圖19 無抗鳥撞裝置的機(jī)翼鳥撞有限元模型Fig.19 Simulation model of no anti-bird strike device

鳥撞結(jié)果如圖20所示。無抗鳥撞裝置時，機(jī)翼結(jié)構(gòu)在受到鳥撞后，蒙皮被穿透，變彎度結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，前梁被穿透。隱藏蒙皮的結(jié)構(gòu)變形圖如圖21所示。從圖21可知，變彎度結(jié)構(gòu)與前梁出現(xiàn)嚴(yán)重破壞。因此，在無抗鳥撞裝置的情況下，機(jī)翼結(jié)構(gòu)在鳥體撞擊下，破壞嚴(yán)重。撞擊點(diǎn)附近的變彎度結(jié)構(gòu)損壞，前梁被鳥體擊穿。不符合飛機(jī)設(shè)計的抗鳥撞要求。

圖20 機(jī)翼結(jié)構(gòu)變形圖Fig.20 Deformation of wing structure

圖21 隱藏蒙皮的機(jī)翼變形圖Fig.21 Deformation of wing structure without skin

3.2.2 含抗鳥撞裝置機(jī)翼鳥撞仿真分析

本節(jié)對裝有抗鳥撞裝置的機(jī)翼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了鳥撞仿真分析。在鳥撞有限元模型里，裝配了抗鳥撞裝置(1.8 mm厚的LY12鋁材)，建模方法不變。抗鳥撞裝置中間設(shè)有縫隙，使變彎度機(jī)翼結(jié)構(gòu)剛好能從中穿過，不影響到機(jī)構(gòu)的正常運(yùn)動路線，有限元模型如圖22所示。

圖22 含抗鳥撞裝置的機(jī)翼鳥撞有限元模型Fig.22 Simulation model with anti-bird strike device

裝有抗鳥撞裝置的機(jī)翼結(jié)構(gòu)在受到鳥撞后的結(jié)構(gòu)變形圖，如圖23所示。從圖23可知，機(jī)翼蒙皮被穿透，抗鳥撞裝置、變彎度機(jī)構(gòu)以及前梁無破損現(xiàn)象。隱藏蒙皮的結(jié)構(gòu)變形圖如圖24所示。從圖24可知，抗鳥撞裝置與機(jī)翼前梁均無破損現(xiàn)象。因此，添加抗鳥撞裝置后，機(jī)翼結(jié)構(gòu)能完全滿足變彎度機(jī)翼的抗鳥撞設(shè)計要求。

圖23 機(jī)翼結(jié)構(gòu)變形圖Fig.23 Deformation of wing structure

圖24 隱藏蒙皮的結(jié)構(gòu)變形圖Fig.24 Deformation of wing structure without skin

4 結(jié) 論

本文根據(jù)飛機(jī)結(jié)構(gòu)抗鳥撞設(shè)計要求，對可變彎度機(jī)翼的抗鳥撞結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行了研究，得到以下結(jié)論：

(1)對不同類型的抗鳥撞結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明，與三角形結(jié)構(gòu)和弧形結(jié)構(gòu)對比，三角加弧形結(jié)構(gòu)新型抗鳥撞裝置能夠明顯保護(hù)機(jī)翼出現(xiàn)破壞。

(2)通過鳥撞試驗發(fā)現(xiàn)，將三角加弧形抗鳥撞裝置裝配在變彎度機(jī)翼內(nèi)部后，在機(jī)翼受到鳥撞后，抗鳥撞結(jié)構(gòu)能夠有效將鳥體分割，達(dá)到了保護(hù)后部設(shè)施的目的。

(3)通過數(shù)值仿真對比了無抗鳥撞裝置與含抗鳥撞裝置的變彎度機(jī)翼在受到鳥撞后的響應(yīng)，結(jié)果顯示含抗鳥撞裝置的機(jī)翼前梁等結(jié)構(gòu)均無破損現(xiàn)象，滿足了結(jié)構(gòu)抗鳥撞的目的，為結(jié)構(gòu)的抗鳥撞性能設(shè)計提供參考。