基于阻抗失配机制的航空器防护结构设计的抗冲性能研究

深圳航空有限责任公司，广东 深圳 518000

随着经济全球化的飞速发展和国际贸易需求的不断增加，世界各国的贸易往来频繁，同时航空领域争端问题也时常出现，因此维护国家领空安全显得越来越重要。建设航空强国需要有性能可靠的各种航空作战装备，使航空器的相关设备避免或者减缓冲击荷载的毁损，是当前航空飞行器结构抗冲击方向的研究热点课题。近年来，航空器蜂窝夹层复合材料制造技术迅猛发展，技术较为成熟，表现出很多优异特性，具有良好的抗震性能、抗疲劳性能、吸声性能和破损安全性。有研究表明不同的冲击速度或者冲击荷载，对其结构的破坏模式、冲击能量吸收以及耗散机制是不同的。

基于阻抗失配机制研究结构的抗冲击性能，国内外有许多学者和科研机构对其进行了深入和广泛的研究，并取得了一些有意义的成果。汪玉等[1]提出了一种敷设于舰艇湿表面，隔离水下爆炸冲击波的舰艇抗冲瓦新概念，其研究结果表明，空腔覆盖层能够很好地隔离水下爆炸冲击波，降低船体结构的材料应变和加速度冲击响应的峰值；黄修长等[2]根据弹性波在周期性结构中传播时会形成特殊的阻带和通带结构的特性，设计了一种虚拟的周期结构的机械滤波器，不仅有效降低了总体机械的振动，还具有良好的抗冲击性能；刘中等[3]和任少飞等[4]基于阻抗失配原理设计了隔振效果良好的声学结构，并分析了振动波在结构中的波形转换、散射和反射问题；罗泽立[5]利用波动频率方法从机理上研究了冲击波能量在覆盖层中的反射和投射规律，以及覆盖层参数变化对冲击波能量的影响。

为了探究冲击波荷载在不同阻抗介质中的传播规律，文章利用非线性大型有限元软件ABAQUS进行数值仿真分析，通过对比发现，在阻抗失配特性下，利用了空气阻抗远远小于超弹性周期空腔覆盖层结构和钢结构的阻抗，使冲击波被大量地消耗在介质中，起到了结构抗冲击的作用。该研究成果为航空器结构的抗冲击设计及其设备减振方案提供了理论支撑和新思路，对保障航空器的生命力具有十分重要的意义。

1 有限元计算模型

敷设实心、空心橡胶覆盖层后的结构模型分别如图1、图2所示。模型均由橡胶覆盖层和钢结构组成，需要说明的是，此仿真算例左侧为橡胶覆盖层，右侧为钢材，且图1左侧的橡胶覆盖层为实心结构，图2左侧的橡胶覆盖层为周期圆形空腔结构。在不影响数值计算结果和提高计算效率的基础上，对数值仿真模型进行简化处理，在4个侧面施加滚轴支撑，且钢结构的另一端设置为完全固定端，设置z向为主轴应变方向，将复杂的三维问题变成简单的一维应变问题。覆盖层结构的材料选用超弹性橡胶材料，通过对实验数据进行拟合得到该算例可用的超弹性材料参数，拉伸试验台如图3所示。其他材料参数如下：钢板弹性模量为210GPa，其密度为7800kg/m3，泊松比值为0.3。

图1 敷设实心橡胶覆盖层后的结构模型

图2 敷设空心橡胶覆盖层后的结构模型

图3 拉伸试验台

2 数值计算结果分析

通过对比分析研究覆盖层有无空腔结构对结构的瞬态响应和抗冲特性的影响。首先从理论角度进行分析，假设文章建立的数值仿真分析模型其不同结构材料具有不同的声学阻抗，覆盖层结构介质的阻抗是ρ1c1，钢结构介质的阻抗是ρ2c2。由已知材料的参数计算可知，覆盖层结构材料的阻抗远小于钢结构材料的阻抗，也就是应力波由所谓的“软材料”进入“硬材料”，同时又含有空腔的覆盖层，空腔里面的介质为空气，在“软材料”中的传播速度慢，在“硬材料”中传播速度快。冲击波在不同的声学阻抗介质中的传播特性是不同的，并且在不同介质中间界面也会产生反射波和透射波。

不同时刻结构单元节点应力云图如图4所示。通过对比图4中的2组有限元仿真云图发现，在相同的时刻，钢结构和空腔覆盖层超弹性材料的耦合面上仅在小区域范围出现了最大应力，而无空腔覆盖层结构的最大应力分布区域面积较大；覆盖层介质与空腔存在阻抗失配条件，且在空腔边界处存在波形转换特性，这都会影响应力波在结构中的传播规律，进而影响结构中应力的分布状况，最终削弱应力平均幅值，进而起到结构的防护抗冲作用。

图4 不同时刻结构单元节点应力云图

覆盖层结构内能随时间变化曲线如图5所示。从图5可以看出，在受冲击波荷载初始阶段能量数值趋于稳定，外力对系统所做的功大部分转化为覆盖层结构的内能和动能。具体而言，在0.05ms时，结构的动能-时间曲线开始出现快速上升趋势，约在0.1ms时结构动能出现峰值，达到最大值，大约为1.1MJ，说明受冲击过程中在后期覆盖层结构主要起到能量黏性耗散作用。由于覆盖层的材料为超弹性的橡胶，其可压缩性较小，使得应力波在覆盖层结构中的传播受到一定的影响。对比有无空腔覆盖层的抗冲作用发现，冲击荷载能量一部分被覆盖层结构的空腔变形势能所储存起来，同时也有一部分以热能的形式被耗散掉，从而有效提高了结构的抗冲击性能。

图5 覆盖层结构内能随时间变化曲线

3 结论

文章基于阻抗失配机制，以波动理论为基础，分别选取实心和空心覆盖层在受到相同冲击波荷载时，利用数值仿真方法对一维应力波在结构与覆盖层中的传递特性进行了深入研究，该研究结果对指导航空器结构的抗冲击设计具有重要的参考意义。通过对比分析得出了以下结论：

（1）覆盖层介质与空腔存在阻抗失配条件，且在空腔边界处存在波形转换特性，这将会使应力波在结构中的传播受到较大的影响，成为影响结构中应力分布不均的主要原因。

（2）通过数值分析后处理云图可以发现，有空腔结构覆盖层结构整体的动能和内能比没有空腔结构的数值大。冲击波荷载能量一部分转化为覆盖层结构的空腔变形势能储存起来，同时也有一部分以热能的形式被耗散掉，起到了非常好的吸能抗冲击作用，提高了结构的抗冲击性能。