[摘 要]本文針對Ti-6Al-4V鈦合金蒙皮進行抗鳥撞性能試驗研究，利用1.8kg鳥以120m/s的速度撞擊鈦合金平板，在試驗中測量結構的位移和應變響應，試驗結果顯示鈦合金平板具有優(yōu)異的抗沖擊性能。為了指導鈦合金蒙皮在飛機結構中抗鳥撞設計的應用，本文基于PAM-CRASH軟件SPH鳥體對試驗過程進行仿真分析，結果表明分析預測與試驗結果相吻合，為后續(xù)結構減重優(yōu)化設計奠定基礎。

　　[關鍵詞]Ti6Al4V鈦合金 鳥撞沖擊 PAM-CRASH軟件 SPH粒子

　　鈦合金作是一種重要的輕質結構材料，具有比強度高和抗腐蝕性能優(yōu)異，因此在航空航天、船舶、兵器等領域的應用非常廣泛。目前最獲廣泛應用的是以Ti-6Al-4V為代表的具有中等強度但綜合性能較好的α+β鈦合金，常用于飛機上重要接頭、機頭頂部蒙皮、發(fā)動機葉片和包容機匣等。

　　飛機機頭前端框和壁板是鳥撞事故概率較大的部位，由于機頭內部有機組人員和重要的系統(tǒng)設備，故需要對這些重要部位進行保護以避免產(chǎn)生災難性事故。研究鈦合金平板抗沖擊的性能，對設計出既滿足抗鳥撞要求，又輕質減重的機頭壁板結構具有重要意義。本文開展了鈦合金平板鳥撞沖擊試驗和數(shù)值仿真研究，積累了試驗數(shù)據(jù)，建立了數(shù)值分析模型。

　　2 鈦合金平板鳥撞沖擊試驗

　　2.1 鈦板試驗件安裝

　　本文使用Ti-6Al-4V鈦合金平板試驗件尺寸為660mm×660mm，厚度為2mm，采用20個Φ8mm的螺栓通過壓板將鈦板安裝在夾具上，如圖 1所示， 在試驗過程中測量鈦板應變和位移，如圖 2所示。

　　2.2 氣炮試驗裝置

　　鳥撞試驗在江蘇鐵錨玻璃股份有限公司飛彈沖擊試驗室完成。鳥撞試驗裝置如圖 3所示，該套系統(tǒng)主要包括鳥炮發(fā)射系統(tǒng)，測速系統(tǒng)，高速攝像系統(tǒng)，動態(tài)數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)。

　　鳥炮發(fā)射系統(tǒng)用于發(fā)射鳥彈，使其達到規(guī)定的速度，主要由氣罐、炮管、附屬設備和發(fā)射控制裝置組成。高壓氣罐是發(fā)射鳥彈的動力源，根據(jù)規(guī)定的鳥彈速度設定發(fā)射的壓力，待氣罐壓力達到預定值并穩(wěn)定后，發(fā)射電磁閥打開，高壓氣體推動鳥彈在炮管滑行，并將其發(fā)射出去。測速系統(tǒng)利用鳥彈觸發(fā)激光測速系統(tǒng)的兩道光幕測得鳥彈的飛行速度。因為鳥撞過程是一個毫秒級的瞬態(tài)沖擊動力學行為，試驗中放置兩臺高速攝像機對鳥撞過程進行記錄。試驗件上布置動態(tài)應變片和位移傳感器，測量試驗件上的動態(tài)響應。

　　2.3 試驗結果

　　鳥彈以120.78m/s的速度垂直撞擊到鈦板中心，鈦板僅產(chǎn)生變形，如圖 12所示。而在其他鋁板的試驗中，鋁板產(chǎn)生很大變形凹坑或破損，對比顯示了鈦板優(yōu)異的抗沖擊性能。

　　由于鳥撞高速瞬態(tài)的沖擊，使得應變的測量非常困難，試驗中的應變測量點僅2Y，3X，3Y，4X和位移測量點6完整的記錄了數(shù)據(jù)，其他應變片皆被震斷而沒有測得數(shù)據(jù)，具體見第4節(jié)。

　　3.1 鳥體模型

　　數(shù)值模擬中為了避免鳥體撞擊產(chǎn)生大變形和散開使得計算中止，本文采用PAM-CRASH軟件的SPH（光滑粒子流體動力學）方法模擬鳥體，見圖 4。SPH是一種無網(wǎng)格Lagrange方法，其基礎是插值方法，材料被離散成一系列拓撲獨立的插值點，連續(xù)介質力學中守恒方程（如質量，能量，動量）通過光滑核函數(shù)提供空間位置點的值積分得到。本文采用W4-Bspline核函數(shù)。

　　鳥體的形狀采用兩端帶半球形的圓柱體[1]，如圖 4所示，鳥體密度約為水的95%，則鳥體模型密度為950kg/m3 ，8lb鳥體的D為134mm。鳥體材料模型采用Murnaghan EOS，表示為：

　　M.A.McCARTHY[2]等人對該鳥體模型進行了驗證 ，本文采用其獲得的參數(shù)，B=128Mpa，γ=7.98。

　　3.2 結構模型

　　鈦板采用帶失效的Power彈塑性本構，其應變率硬化采用Johnson-Cook模型[3]，夾具的槽鋼采用彈塑性本構，夾具后端固支。螺栓采用Plink單元模擬，將壓板、鈦板和夾具連接。完成后的有限元模型如圖 5所示。

　　4 仿真分析與試驗結果對比

　　將第3節(jié)建立的模型在ESI VPS2009求解器[4]中計算，計算時間為8ms。計算結果顯示鈦板僅發(fā)生了塑性變形，沒有破損。圖 6顯示了在t=2ms時鈦板變形達到最大，中心點位移53mm。仿真與試驗現(xiàn)象吻合。

　　圖5顯示了6號測量點在仿真和試驗下的位移時間歷程對比情況，從圖中可以看出仿真和分析結果吻合得很好，兩者測得的最大變形值為45mm左右，鈦板在鳥撞后發(fā)生了劇烈的振動回彈，與高速錄像觀察到的現(xiàn)象一致。

　　圖8～圖 11分別對比了2Y，3X，3Y和4X應變測量點仿真和試驗的對比情況，從圖中可以看出中心點2Y的應變仿真與試驗吻合很好，最大應變值在13500微應變左右。其余四個應變測量點由于靠近夾具邊界，仿真和試驗的測量值相差略大，但總體趨勢吻合較好，對于高速動態(tài)應變測量，兩者對比結果比較滿意。

　　研究組對鈦合金板，鋼板和鋁合金板進行了抗鳥撞沖擊試驗，顯示了鈦合金板優(yōu)異的抗鳥撞沖擊性能，為鈦合金蒙皮在飛機機頭抗鳥撞部位的應用積累了試驗數(shù)據(jù)，建立了信心。同時，利用PAM-CRASH軟件對撞擊過程進行了仿真分析研究，結果表明仿真分析結果與試驗吻合很好，因此利用該經(jīng)過試驗驗證的分析方法和模型，為復雜飛機機頭壁板抗鳥撞設計分析和優(yōu)化奠定了堅實的基礎。

　　參考文獻

　　[1]吳志斌，宋春艷，許志香，飛機尾翼鳥撞試驗與分析模型驗證，振動工程學報，2011年10月增刊。

　　[2]M.A.McCARTHY. Modeling of Bird Strike on an Aircraft Wing Leading Edge Made from Fibre metal Laminates ?CPart 2： Modeling of Impact with SPH Bird Model. Applied Composite Materials. 11：317-340，2004.

　　[3]Donald R. Lesuer，EXPERIMENTAL INVESTIGATIONS OF MATERIAL MODELS 5. September 2000 FOR Ti-6Al-4V TITANIUM AND 2024-T3 ALUMINUM，DOT/FAA/AR-00/25。

　　[4]VIRTUAL PERFORMANCE SOLUTION 2009 SOLVER NOTES MANUAL.

　　作者簡介

　　吳志斌（1984- ），男，工程師，主要研究方向：結構動力學，復合材料結構等。