1、西安航空职业学院毕业论文典型平板加筋结构鸟撞试验与仿真姓 名： 专 业： 航空电子 班 级： 完成日期： 指导教师: 摘要：通过典型平板加筋结构鸟撞试验，研究了该种结构在鸟撞时的破坏模式及抗鸟撞能力。在试验基础上，基于 PAMCrash 软件建立平板加筋结构的动力学仿真分析模型，模拟了试验时鸟撞过程和结果，通过对比分析表明，仿真与试验吻合较好。本文的试验和仿真结果有利于建立精确的鸟撞分析方法，对于飞机侧壁板结构的鸟撞分析有重要意义。关键词：平板加筋；鸟撞；仿真分析引言鸟撞是指飞机等飞行器与在天空中飞行的鸟类相撞造成飞行事故的简称。由于飞机飞行速度快，与飞鸟发生碰撞后常造成极大的破坏，鸟撞就成为
2、威胁航空运输安全的主要因素之一。随着民用飞机数量的增长，鸟撞事故也呈增长态势 1，所以飞机的抗鸟撞设计越来越成为重要课题之一。传统的验证飞机抗鸟撞性能是通过试验的形式，但是单纯的依靠试验，需要花费较多的周期和成本。随着计算机技术、计算力学的发展，利用有限元技术，分析评估飞机结构抗鸟撞性能，从而缩短整个飞机结构抗鸟撞设计周期，降低设计和试验成本。鸟撞是发生在毫秒量级内的瞬态冲击现象，是一个非常复杂的非线性瞬态动力学及流固耦合的问题 2，要想对其建立完善的数学和力学模型进行理论分析，进而得到解析解，难度很大。结合小部件的鸟撞试验，验证有限元分技术，得到准确的鸟撞仿真分析方法，从而指导飞机大部段结构
3、抗鸟撞设计就成为最有效的手段。本文为了得到准确的飞机座舱盖侧壁板结构鸟撞分析方法，结合侧壁板的结构形式，开展了典型的平板加筋结构鸟撞试验，并采用了基于 PAM CRASH 软件建立了平板加筋结构的有限元分析模型，对试验结果进行了仿真分析，通过仿真与试验对比，得到准确的仿真分析方法，分析研究了结构破损的形式，承受鸟撞冲击的能力。分析方法和结果对座舱盖侧壁板结构的分析能力和抗鸟撞性能研究提供依据。1. 鸟撞试验1.1. 试验设备和方法鸟撞试验方法采用空气炮法 3。鸟撞试验设备主要由发炮系统装置和动态数据测试系统装置组成，鸟撞试验设备结构如图 1 所示。发炮系统装置主要由储气罐、发射装置、炮管、脱壳
4、装置以及挡气屏组成。测试系统装置一般包括激光测速系统、超动态应变仪以及高速摄影机等。试验时，将包含弹托的鸟体预先放入发射装置中，待控制气罐压力达到预定值并稳定后，开启压力阀，高压气体从控制罐进入发射腔，推动鸟体和弹托在炮管内滑行，经过剥壳装置时分离鸟体和弹托，鸟体撞击到固定在承力墙上的试验件上。图 1 鸟撞试验原理示意图鸟撞速度测量采用高速激光测速法测量鸟弹在撞击试件前的速度，在鸟弹飞行路径上装置距离为 L 的两个光幕，测量鸟弹飞过两个光幕的时间 T，则鸟撞速度测量值为 V=L/T。本文共对 3 块平板加筋试验件进行了 3 次鸟撞试验。平板加筋结构由 1.6mm 厚面板和 5个 C 型框组成，
5、试验件长和宽各为 760mm，试验中，试验件通过夹具安装在承力墙上，通过调整承力墙的角度实现鸟体呈 45角度的撞击要求。鸟弹重量选取 1.8kg，考虑到斜撞击时结构损伤在撞击点的后侧，鸟弹弹着点取试验件中心点偏前 60mm 处。1.2. 试验结果试验结果如表 1 所示。由表 1 可知，当鸟的速度为 129km/h 时，平板加筋结构的面板未出现破损；当鸟的速度为 130.3m/s 时，面板与框连接处出现了轻微的裂纹，但未发生鸟体穿透现象，当鸟的速度为 136m/s 时，平板加筋结构出现穿透性破损。因此，该构型平板加筋结构的抗鸟撞击临界速度介于 129m/s 和 136m/s 之间。表 1 试验结
6、果试验件编号 试验速度（m/s） 试验结果1 129 面板未破损，框缘 条轻微破损2 136 面板穿透，框断裂3 130.6 面板出现裂纹，框 缘条轻微破损2. 计算模型2.1. 鸟体模型飞机鸟撞问题属于典型的大变形问题，通过研究发现基于 SPH 算法的鸟体模型与弹塑性鸟体模型相比更贴近试验结果 4。SPH 算法是一种无网格拉格朗日粒子法，由于其无网格的特点，避免了有限元方法模拟结构大变形时网格畸变的问题，可以很好地模拟鸟撞过程中鸟体的撞击和飞溅为碎片等行为，本文在分析中采用 SPH 算法的鸟体模型 。本文鸟体几何模型为两端带半球帽的圆柱体，质量为 1.8kg，长径比为 2：1。鸟体的SPH
7、模型是通过 Pam-Crash 内部转换器由六面体单元转换生成。材料模型选用 Pam-Crash 软件中专为 SPH 方法设置的 28 号材料，其本构关系遵循 Murnaghan 状态方程 5：=0+(0)1 (1)式中， 为初始压强， 为鸟体当前密度与初始密度比，B 和 为体积弹性模量和指0 0数。2.2. 平板加筋结构模型平板加筋结构有限元模型与试验件的构型一致，是由铝合金面板及框组成，面板材料选用 2524 铝合金材料，框采用的是 7075 铝合金材料，参考美国材料标准 MMPDS，材料属性如表 2 所示。表 2 材料力学性能材料 kg/m3）（ E() ()() 2524 2.8 x1
8、03 7.3x104 0.35 310 420 0.157075 2.8 x103 7.1x104 0.33 462 512 0.08平板加筋结构采用四节点的壳单元模拟，平板加筋结构为弹塑性本构模型，由于铝合金的应变率相关性并不明显 6，所以本文不考虑应变率相关参数，材料的本构模型见图 2 所示。材料的失效模式为最大塑性应变失效模式，当材料的塑性应变超过材料本身的断裂延伸率时，单元会被删除。图 2 金属材料的本构模型铆钉采用 PLINK 单元模拟，分别设定单元失效时的极限拉伸应力和极限剪切应力。认为铆钉的失效是拉伸和剪切的耦合的作用，其失效判据如下 7：0.121AAFILSIN(2)式中，N
9、 为拉力， T 为剪力， AFAILN 为拉伸强度，AFAILS 为剪切强度，A 1 和 A2 对应拉伸指数和剪切指数。当左式1 时，认为铆钉发生失效， plink 单元删除，反之认为铆钉正常连接。鸟体与加筋板、面板与框之间均定义面面自动接触。鸟撞方式为斜冲击时鸟体轴线与加 01筋板呈 45的夹角，撞击点与试验点一致。为了真实仿真试验件的边界条件，模型中包含了试验件夹具，加筋板通过 Plink 与夹具相连，夹具周围施加固定约束。平板加筋结构鸟撞动力学模型如图 3 所示。图 3 平板加筋结构有限元模型3. 仿真与试验对比通过对平板加筋结构有限元模型进行不同速度下的仿真分析表明：当鸟体速度 129
10、m/s时，面板未发生破坏，撞击点处的一个框筋条 R 区处有轻微破损，与试验一致；当鸟体速度136m/s 时，面板发生穿透性破坏，初始破损从面板与框连接的铆钉孔处开始，破损尺寸为 1个框距，撞击点处的框发生断裂，与试验一致。仿真与试验对比见图 4 和图 5.图 4 速度 129m/s 时仿真与试验对比图 5 速度 136m/s 时仿真与试验对比通过对 129m/s 至 136m/s 区间不同速度的仿真分析，得到了该平板加筋结构的临界速度为 132m/s，此时框缘条破损，面板轻微破损，见图 6 所示。该计算结果与 130.6m/s 速度下试验结果一致。a) 面板 b) 框图 6 速度 132m/s
11、 时仿真结果通过不同速度下的试验和仿真分析，可以得到平板加筋结构的破损过程：首先框缘条开始破损，随着冲击能量的增加，面板在有钉孔处破损，直至整个结构被穿透。分析发现，框和面板连接处由于出现受力集中，容易在此处开始破损，框的破损从缘条开始，面板的破坏从钉孔处开展，同时也说明了钉孔对面板的性能缩减。4. 结论本文通过对平板加筋结构进行试验和仿真，得到如下结论：1）通过鸟撞试验得到了某构型平板加筋结构在 45撞击时的临界破坏速度及破坏模式。2）平板加筋结构破坏过程从框缘条开始，进而面板从钉孔处撕裂，最终导致整个结构的破坏。3）仿真与试验结果一致，数值模拟结果与试验结果吻合较好，建立的鸟撞计算分析模型
12、具有很高的精确度，能用于飞机侧壁板结构的鸟撞分析工作。5. 参考文献1. Washburn B E, Cisar P J, DeVault T L. Wildlife strikes to civil helicopters in the US, 19902011J. Transportation research part D: transport and environment, 2013, 24: 83-88.2. Heimbs SComputational methods for bird strike simulations:A reviewJComputers and Struct
13、ures，2011，89( 23-24) :2093-2112.3. 刘洋，张建军，张积亭. 典型金属加筋板鸟撞实验研究J. 机械科学与技术,2015,34(9):1461-1466.4. Goyal V K, Huertas C A, Leutwiler T R, et al. Robust bird-strike modeling based on SPH formulation using LS-DYNAC/47th AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference 14th
14、AIAA/ASME/AHS Adaptive Structures Conference 7th. 2006: 1878.5. 刘军,李玉龙,刘元镛. 基于 SPH方法的叶片鸟撞数值模拟研究J. 振动与冲击,2008,27(9):90-93.6. 郭伟国，田宏伟 几种典型铝合金应变率敏感性及其塑性流动本构模型J. 中国有色金属学报，2009，19 ( 1) : 5661.7. ESI Group. PAM-CRASH 2008 Solver Reference Manual. s.l.: ESI Group,2008.致 谢感谢我的同学和朋友，在我写论文的过程中给予我了很多你问素材，还在论文的撰写和排版过程中提供热情的帮助。由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和学友批评和指正!
