飞机机翼内垫曲线式褶皱夹层结构的抗鸟撞性能研究

张 煌,李耀明,原梅妮

(1.中北大学 机械工程学院, 太原 030051; 2.中北大学 机电工程学院， 太原 030051)

1 引言

军用飞机在高空运行过程中常与鸟类发生碰撞而造成严重伤害事故。自1903年飞机进入人类世界后，军用飞机鸟撞事故不断。据统计，近年来全世界每年大约发生千余次“鸟撞”事故。正是由于鸟撞事故对机体结构和人员安全带来严重危害，我国近年先后制定了各种抗鸟撞军标、航标和规范，分别对军机的风挡、机翼、尾翼的鸟撞设计标准、鸟重、验证方法等作了具体规定。

鸟撞试验是采用空气炮装置，利用压缩空气驱动做成炮弹状的家鸡或者人工鸟(简称鸟弹)，沿着炮管加速至要求的速度后撞击飞机考核结构，鸟弹飞行速度由激光测量。关于机翼鸟撞问题，部分学者采用了仿真分析和鸟撞试验相结合方法。如任冀宾采用非线性动力学软件PAM-CRASH和鸟撞试验结合优化了某型飞机机翼前缘结构，不仅使该结构满足抗鸟撞性能，且实现结构减重30%。王会利采用非线性动力学软件PAM-CRASH和鸟撞试验结合获取复合材料机翼前缘结构抗鸟撞应变力曲线和撞击力曲线，并优化其结构。刘永强等通过鸟撞试验和仿真分析对复合面板蜂窝夹芯材料、铝合金材料、金属面板蜂窝夹芯材料、Glare层板蒙皮进行吸能对比，得出4种材料的抗鸟撞性能优劣排序为：Glare蒙皮、金属面板蜂窝夹芯、复合面板蜂窝夹芯、铝合金。鸟撞试验花费昂贵，大部分学者们在鸟撞仿真分析方面开展了大量研究工作。

对于机翼鸟撞问题，已有学者做了一些研究。如杜龙采用欧拉-拉格朗日方法研究了某型无人机机翼前缘的鸟撞问题，研究了鸟体速度、密度、蒙皮铺层等对鸟撞动态响应等一系列问题。米保卫等研究得出张力蒙皮可有效提高机翼抗鸟撞性能。陈卫峰等对不同铺层的Glare层合蒙皮进行了抗鸟撞分析，结果表明3/4构型的Glare层合蒙皮抗鸟撞性能最优。孔令勇等采用大型商用软件Pam-crash对某复合材料尾翼结构抗鸟撞性能进行了分析，开展了复合材料动态力学性能测试本构模型参数的标定。霍雨佳等以某型无人机复合材料机翼前缘为对象，采用有限元方法分析机翼前缘结构在鸟体撞击下的损伤特征等。王富生等在鸟撞数值仿真中根据试验结果采用优化反演方法实现鸟体参数确定。这些抗鸟撞设计多集中于复合材料和内嵌斜支板结构，而金属折叠式夹层板具有良好的吸能特性，已用于船舶耐撞，抗爆防护等领域。张延昌等对折叠式夹层板横向压皱吸能特性和抗撞击性能进行研究，得出折叠式夹层结构在横向压缩和碰撞载荷作用下具有良好吸能特性。丛立新等对改进V-型复合褶皱夹芯结构的压缩性能进行研究，研究发现相对密度变化不仅对该结构力学性能产生影响，而且导致其破坏模式转变。杨晶晶采用有限元方法研究了面板厚度、芯层壁厚等因素对铝褶皱夹层板的抗低俗冲击特性。熊健等概述了其研究团队复合材料点阵夹心结构、褶皱夹芯结构、蜂窝夹芯结构对应的拓扑构型设计和制备工艺。但目前褶皱夹层结构对于机翼蒙皮抗鸟撞设计的研究相对较少。本研究中提出一种内垫曲线式褶皱夹层结构，从蒙皮破损图，蒙皮最大位移，吸能特性三方面对铝合金内垫褶皱蒙皮和铝合金单蒙皮结构进行分析对比。

2 内垫曲线褶皱夹层蒙皮介绍

内垫曲线褶皱夹层结构如图1所示，包括有3层结构,外蒙皮、曲线褶皱夹层(以后统称为褶皱夹层)、内蒙皮三部分组成。机翼前缘是鸟撞事故破损最为严重区域，所以在机翼前缘部位设置褶皱夹层。其中内蒙皮距外蒙皮间距设置为65 mm，内蒙皮深度设置为450 mm，褶皱夹层距内外蒙皮的间距设置为5 mm。由于机翼特殊的气动外形，褶皱夹层设计由1个主弧面、10个侧弧面、10个支撑面组成。

其中外蒙皮保持机翼外表面的平整性和气动外形，是鸟撞事故的第一道防线。褶皱夹层在鸟撞事故主要呈现吸能特性，是鸟撞事故的第二道防线。内蒙皮主要用于保护机翼内部结构，是鸟撞事故的最后一道防线。

图1 内垫曲线式褶皱夹层结构Fig.1 The inner cushioned curved layer structure

3 鸟撞机翼有限元模型

3.1 鸟体模型

本文中基于ANSYS/LS-DYNA平台采用Lagrange法将鸟体模型定义为两端半球体，中间圆柱(球体半径为0.05 m，中间圆柱长为0.188 m)进行模拟，质量为1.81 kg。将鸟体模型定义为实体单元(SOLID164)划分为4 224个单元，材料选用各向同性弹塑性材料。鸟体参数见表1所示。

表1 鸟体材料参数Table 1 Brid body material parameters

3.2 机翼模型

机翼模型选用NACA0010翼型，选取展长600 mm，前缘长度900 mm的单盒段进行模拟见图1所示。机翼采用SHELL163单元，机翼边界采用固接，机翼材料选为2024-铝合金材料，其材料参数见表2所示。

表2 铝合金材料参数Table 2 Aluminum alloy material parameters

3.2.1 单蒙皮结构

蒙皮厚度取3 mm，蒙皮划分为12 000个单元，机翼模型参照图1的机翼模型建立。

图2 鸟撞机翼模型Fig.2 Bird wing model

3.2.2 内垫褶皱蒙皮结构

内、外蒙皮取2.5 mm，褶皱层取1.5 mm。将内垫褶皱蒙皮结构外蒙皮划分为12 000个单元，褶皱层划分为4 400个单元，内蒙皮划分为2 000个单元。

图3 内垫曲线式褶皱夹层结构模型Fig.3 The structure model of the inner cushioned curve

4 模型验证

为验证所建立鸟撞模型的合理性。将试验中的鸟撞过程进行模拟，其鸟体质量为3.6 kg，蒙皮厚度2.5 mm，蒙皮材料为2024-Al。鸟撞速度为伊尔76飞机平飞的海平面速度。

结果显示，模型在鸟撞过程中被穿透，形成一个“十”字形缺口，与试验中铝合金蒙皮的穿透破损情况相同(见图4)。可知所建鸟撞机翼有限元模型正确。

图4 试验和仿真破损形状对比Fig.4 The test is in contrast to the simulated damage

图5为仿真与试验的鸟体动能时间-变化曲线对比图。在Ⅰ(0～2 ms)区鸟体撞击到蒙皮上，蒙皮破损吸收能量，鸟体动能不断下降，到了Ⅱ(2～15 ms)鸟体穿透了蒙皮，动能稳定，将图中仿真与试验的鸟体动能-时间变化曲线对比，结果较为吻合，可得所建的鸟撞机翼有限元模型正确。

图5 仿真与试验动能-时间对比图Fig.5 The simulation and experimental kinetic energy- time comparison chart

表3中试验中蒙皮吸能效率为18.7%，仿真中蒙皮吸能效率为17.7%。两者相差仅为2%。可知所建的鸟撞机翼有限元模型正确。

综上所述，本文中所建的鸟撞机翼有限元模型正确。

表3 仿真与试验吸能效率对比Table 3 The simulation and experimental energy absorption efficiency

5 2种结构对比分析

本节对64.8 km/h、210 km/h、300 km/h、370 km/h四种速度下铝合金内垫曲线褶皱夹层结构和铝合金单蒙皮结构进行仿真，并对2种结构的鸟撞破损，外蒙皮最大位移，吸能特性3个方面进行分析对比。结果显示铝合金内垫褶皱蒙皮结构有着较好的抗鸟撞性能。

5.1 鸟撞破损分析

图6为4种速度下铝合金单蒙皮结构和铝合金内垫褶皱蒙皮结构进行了损伤对比图。

图6 10 ms时不同速度下2种结构的鸟撞损伤图Fig.6 The two kinds of structure under different speed of bird strike damage in 10 ms

由图6可知，铝合金单蒙皮结构与铝合金内垫褶皱蒙皮结构在64.8 km/h速度下鸟体均未击穿铝合金外蒙皮。在210 km/h速度下鸟体对铝合金单蒙皮造成一定破坏形成了一个“十”字形缺口，鸟体未穿透单蒙皮，但鸟体碎片进入机翼内部；铝合金内垫褶皱夹层结构外蒙皮产生轻微破损，内蒙皮未产生破损，有效地保护了机翼内部结构。在300 km/h速度下鸟体穿透铝合金单蒙皮结构，鸟体进入机翼内部；而铝合金内垫褶皱蒙皮结构外蒙皮产生了“十”字形裂纹，内蒙皮并未破损。在370 km/h速度下，鸟体直接穿透了蒙皮，在铝合金外蒙皮上形成了一个较大缺口；而内垫褶皱蒙皮结构在外蒙皮形成了“十”字形缺口，内蒙皮也产生了一个微小的缺口，但是鸟体未穿透褶皱结构，有效保护了机翼内部结构。内垫褶皱蒙皮结构抗鸟撞性能良好的原因是鸟体撞击在外蒙皮上，其撞击力分散给褶皱层、内蒙皮、外蒙皮，褶皱层在碰撞过程中吸收一部分鸟体动能，有效提高了其抗鸟撞能力(见图7)。

图7 300 km/h速度下褶皱层破损图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为鸟撞击速度分别为：64.8 km/h、210 km/h、300 km/h、370 km/h下，铝合金内垫褶皱夹层结构外内蒙皮最大位移和铝合金单蒙皮最大位移情况。由表4可知：铝合金内垫褶皱夹层结构外蒙皮最大位移均小于铝合金单蒙皮结构，在64.8 km/h的速度下，因速度较小，鸟体在外蒙皮与褶皱夹层的作用下被反弹出去，未接触到内蒙皮，所以内蒙皮最大位移为0 mm。在210 km/h的速度下，鸟体撞击外蒙皮上，外蒙皮产生了21.66 mm的位移，褶皱夹层吸收了一部分鸟体动能向后移动，使内蒙皮产生较小位移(0.7 mm)。在300 km/h的速度下，因其速度较大，外蒙皮产生了较大位移，内蒙皮产生了较大的位移(9.2 mm)。在370 km/h的速度下，速度进一步提高，内蒙皮最大位移达到了47mm，且外蒙皮最大位移已超过了原始内外蒙皮的间距近30mm，说明内蒙皮已破损。

表4 不同速度下2种结构蒙皮最大位移(mm)Table 4 The maximum displacement of the skin of two structures at different velocities

5.3 鸟体动能变化分析

图8为鸟撞击速度分别为：64.8 km/h、210 km/h、300 km/h、370 km/h四种速度下铝合金单蒙皮结构和铝合金内垫褶皱蒙皮结构下鸟体动能-时间变化曲线。由图8(a) 可知当鸟撞速度为64.8 km/h时，铝合金单蒙皮和铝合金内垫褶皱蒙皮结构均出现回弹现象，且2种结构下鸟体动能减少为0 J的时间基本相同，单蒙皮结构下鸟体剩余动能为75 J，铝合金内垫褶皱蒙皮结构下剩余动能为14.3 J，所以铝合金单蒙皮结构吸收鸟体动能少。由图8 (b) 可知当鸟撞速度为210 km/h时，铝合金单蒙皮和铝合金内垫褶皱蒙皮结构均出现了回弹现象，铝合金内垫褶皱蒙皮结构鸟体动能减少为0J的时间比铝合金单蒙皮结构早了近3 ms，铝合金单蒙皮结构下鸟体剩余动能为246 J，铝合金内垫褶皱蒙皮结构下剩余动能为111 J，同样铝合金单蒙皮结构吸收鸟体动能少。由图8 (c) 可知当鸟撞速度为300 km/h时，鸟体穿透蒙皮进入机翼内部剩余动能为915 J；而内垫褶皱蒙皮结构鸟体未穿透且产生回弹，鸟体向后弹出动能为241 J。由图8 (d) 可知当鸟撞速度为370 km/h时，单蒙皮结构被破坏，鸟体穿透蒙皮进入机翼内部动能稳定在2 760 J；而内垫褶皱蒙皮结构鸟体未穿透且产生回弹，鸟体向后弹出动能为111 J。在63.8 km/h和210 km/h鸟体撞击速度下铝合金单蒙皮结构与铝合金内垫褶皱蒙皮结构鸟体均产生回弹现象，铝合金单蒙皮结构吸收的鸟体动能较少；在300 km/h和370 km/h鸟体撞击速度下，铝合金单蒙皮结构均被穿透，而铝合金内垫褶皱蒙皮结构均未被击穿，有效地保护了机翼内部结构。

图8 不同速度下鸟体动能-时间变化图Fig.8 The bird body under different speed kinetic energy-time variation

6 结论

本文中主要从蒙皮破损情况、外蒙皮最大位移、结构吸能特性3个角度研究铝合金内垫曲线式褶皱夹层结构和铝合金单蒙皮结构的抗鸟撞性能：

1) 当鸟撞速度为300 km/h，鸟体穿透铝合金单蒙皮结构，而铝合金内垫褶皱蒙皮结构外蒙皮产生了“十”字形裂纹，内蒙皮并未破损。

2) 当鸟撞击铝合金单蒙皮结构和铝合金内垫褶皱夹层结构，铝合金内垫褶皱夹层结构外蒙皮最大位移远小于铝合金单蒙皮结构。如当鸟撞速度为210 km/h，铝合金单蒙皮结构产生73.6 mm的位移，而铝合金内垫褶皱外蒙皮仅产生21.66 mm的位移。

3) 相对于铝合金单蒙皮结构，铝合金内垫褶皱夹层结构吸收鸟体撞击动能大幅提高，有效保护了机翼内部结构。当鸟撞速度为300 km/h时，鸟体穿透铝合金单蒙皮进入机翼内部剩余动能为915 J；而内垫褶皱蒙皮结构鸟体未穿透且产生回弹，鸟体向后弹出动能为241 J。