鳥撞45#鋼平板動響應試驗研究

劉 軍，李玉龍 ，郭偉國 ，藏曙光

(1.西北工業大學 航空學院航空結構工程系，西安 710072;2.中國建筑材料科學研究院，北京 200125)

鳥撞又稱鳥擊，指鳥或鳥群與飛機等人造飛行器之間因物理碰撞所造成的事故。高速飛行的飛機與飛鳥相撞會導致飛機結構的嚴重損壞，嚴重的鳥撞事件會導致機毀人亡的災難性事故，特別是現代軍用飛機如攻擊機朝低空大速度方向發展，飛行時發生鳥撞事件的幾率更大。全世界每年發生1萬次以上的鳥撞飛機事件，國際航空聯合會已把鳥撞危害升級為“A”類航空災難。因此鳥撞問題已經成為飛機設計中必須考慮的重要內容之一［1－7］。

鳥撞問題屬于非常復雜的非線性沖擊動力學問題，其特點主要表現在:瞬時沖擊載荷、柔性撞擊、大變形、材料非線形。傳統研究鳥撞問題的方法一般采用經驗公式法，目前的理論分析手段不足以解決工程中的鳥撞問題，試驗研究和數值模擬研究是解決此類問題的必要手段。在飛機結構抗鳥撞設計中，鳥撞試驗是最終也是最有效的檢驗方法［8－11］，但鳥撞試驗周期長、費用高。

隨著計算機技術和有限元數值計算理論的迅速發展，數值模擬成為飛機結構抗鳥撞設計的有力工具，可在飛機結構鳥撞試驗前對其進行校核－修改設計－校核，直到其順利通過抗鳥撞試驗校核再進行試驗，這樣大大降低了鳥撞試驗費用，且縮短了設計周期。然而，上述飛機結構抗鳥撞校核是在鳥撞數值模型正確的基礎上進行的。鳥撞數值模擬從Wilbeck［12］采用的解耦算法發展到今天的高效耦合算法，確實取得了很大的發展，但仍存在一些難以確定的問題，如鳥體的本構模型及失效模式與撞擊速度的關系、鳥體與結構之間的耦合作用、撞擊載荷隨時間的變化規律等等。這些問題的解決需要以大量的鳥撞簡單結構試驗作為基礎。

本文進行了質量為1 kg的鳥體以三種速度40 m/s、80 m/s、120 m/s撞擊45#鋼平板的地面模擬試驗，對鳥撞平板過程中平板的動響應進行了測試，采用高速攝像機記錄了鳥撞平板全過程，為鳥體本構模型的確定及鳥撞數值計算方法的驗證提供了大量試驗數據。

1 試驗方法

鳥撞試驗原理如圖1所示，主要由發射系統、靶板系統和測量系統組成，發射系統主要包括氣罐、壓縮室及炮管，氣罐為前端壓力輸送設備，體積較大，直接接受氣源送來的壓縮氣體，起到穩定氣壓的作用;壓縮室為壓力輸送后端設備，裝有溢流安全閥及壓力表。通過壓力表顯示值以及鳥體測速裝置測量得到的鳥體速度，可以獲得對應壓力－速度關系并作為一種標定曲線，提供給實驗技術人員掌握有關實驗參數。在壓縮室形成的高壓氣體是發射鳥體的動力源，室內的氣體壓力決定了鳥體的速度，鳥體及彈托被預先放在炮管里，待壓縮室內氣體壓力達到預定值并穩定后，開啟壓力閥，高壓氣體突然釋放，推動鳥體在炮管內滑行直至離開炮口射向固定在實驗臺架上的試件。實驗技術人員接通電路開關，驅動電磁閥快速打開閥門，在極短的時間內產生高壓壓差，推動鳥體穿過炮管射向實驗靶體結構件。

圖1 鳥撞實驗原理示意圖Fig.1 Schematic sketch of bird strike

發射炮管前端端口有一個由四根彈簧控制運動緩沖的擋板裝置，其中心孔直徑略小于炮口直徑，起到鳥體脫殼的作用，如圖2(a)所示。靶板系統裝置如圖2(b)所示，用壓框和底框將正方形45#鋼平板試件夾持并用螺栓連接，之后將底框套置于實驗臺架的四根軸承上，并且底框可在軸承上無摩擦自由滑動，最后將四個力傳感器布置于低框和實驗臺架之間。

圖2 鳥撞平板試驗裝置Fig.2 Experimental rig of bird impact with plate

鳥撞45#鋼平板實驗中，需要采集三種實驗數據:位移、應變和支反力。由于鳥撞過程時間極短，僅為3－4 ms，所以必須通過高速設備采集實驗數據。

位移測量裝置及測量點位置如圖3所示，其中D1、D2、D3點等間距且間距為100 mm，D1點偏離平板中心50mm，其原因是平板中心點所貼應變片對位移傳感器激光光束有干擾，從而使測量得到的位移數據不真實或不完全，實驗中必須保證夾具框的位移相對于平板位移足夠小，即實驗臺架的剛度及實驗臺架與地面具備良好的連接剛度，必要時可增加位移傳感器以檢測夾具框的位移。位移測量時應注意將激光位移傳感器固定在獨立于實驗臺架的框架上，測量時調整激光光束并使之垂直打在D1、D2和D3點。

圖3同時給出了應變片的粘貼及應變測量點位置，共測量平板上等間距分布且間距為70mm的4個點的應變，如圖3 中 S1、S2、S3、S4 所示。

支反力傳感器及測量點位置如圖4所示，四個壓力傳感器沿平板中心對稱固定于實驗臺架的四角，測量時使底框與傳感器接觸，測量得到的四個力為鳥體撞擊方向的支反力，不是鳥體與平板之間的撞擊力。

圖3 平板位移及應變測量Fig.3 The measurement of displacement and strain on target plate

圖4 撞擊支反力測量Fig.4 The measurement of impact reaction force

試驗時將激光測速儀安放在炮口和被撞平板試件之間，以測量鳥體在撞擊試件前的速度。圖5(a)所示高速攝影儀工作時可拍攝3000幅/秒，試驗前調整好拍攝角度和畫面亮度，可以完整而清晰的記錄鳥撞試件前的飛行軌跡、撞擊時的姿態、接觸試件的時間及撞擊后的玻璃的破碎情況。鳥體及彈托如圖5(b)所示，試驗前半小時內，將家雞窒息至死或宰殺，秤取重量1.0 kg制作鳥體，用聚乙烯薄膜包裝后放置于鋁制彈托內，鳥體形狀近似于圓柱體的幾何外形。

圖5 高速攝像裝置及鳥彈Fig.5 High-speed camera and the bird projectile

2 試驗結果

采用45#鋼材料加工成660 mm×660 mm×5 mm的平板試件，進行質量為1.0 kg的鳥體正撞擊平板中心試驗，由于篇幅所限，本文僅給出垂直撞擊試驗結果，關于斜撞擊試驗結果將另文討論。預定撞擊速度為40 m/s、80 m/s、120 m/s。鳥撞試驗具有很大隨機性，即使撞擊條件(鳥體速度和質量、板厚、板材等)完全相同，試驗結果也往往存在差異，甚至差異巨大，所以本文對每組撞擊試驗至少重復做兩次，若兩次試驗結果相近則完成該組試驗，若兩次試驗結果差異巨大，則再進行重復試驗，直至做出兩組相近的試驗結果。表1給出了3組試驗記錄，即一定撞擊速度條件下重復的試驗件個數及每次試驗的實際撞擊速度，可以看到，每組試驗的兩次撞擊速度比較接近并且與預定撞擊速度非常接近，說明本試驗發炮機構精度較高。

表1 鳥撞平板試驗記錄Tab.1 Experimental record of bird striking

2.1 位移結果

不同試驗件位移測量結果的比較如圖6所示，圖6(a)給出了D1點位移結果的比較，1#件和2#件撞擊速度接近，二者位移結果曲線基本一致，3#件和4#及5#件和6#件的位移結果吻合性很好，對D2和D3進行相同的比較，如圖6(b)和圖6(c)所示，發現，每組試驗的位移重復性均較好，這說明本次鳥撞試驗的重復性較好，測量結果的可靠性較高。試驗中由于激光光路出現問題導致第3組5#試驗件的D3點位移未檢測到，所以僅列出第3組6#件的D3點位移。比較3點位移峰值發現，D1點位移峰值在高速、中速、低速時分別約為26 mm、16 mm、6 mm，D2點位移峰值分別約為18 mm、13 mm、7 mm，D3 點位移峰值分別約為 10 mm、6 mm、2 mm，可見，隨著撞擊速度的降低，D1點位移降低幅度約為10 mm，D2點約為6 mm，D3點約為4 mm，約靠近平板中心，位移降低幅度越大，平板中心點的位移對撞擊速度最敏感。考察圖6中位移峰值出現的時刻，約在3.5 ms－4.0 ms之間，并且對于同一點位移，撞擊速度越高，位移峰值出現的時間越短，撞擊速度相同時，越靠近平板中心，位移峰值出現的時間越短。

2.2 應變結果

不同試驗件應變測量結果的比較如圖7所示，6#試驗件的S1和S2測量不完整，后面的數據沒有測量到，5#試驗件的S1甚至僅僅測量到了在零附近微小波動的很小一段數據，其原因是鳥撞引起的強大沖擊應力波將應變片的導線在瞬間拉斷或剪斷，并且，越靠近平板中心即撞擊區域，數據測量越不完整，另外，撞擊速度越高，數據測量越不完整。圖7應變比較結果表明從S1到S4，同一組試驗的兩個試驗件測量到的結果曲線吻合性很好，這進一步說明了本次鳥撞試驗結果良好的重復性，表明測量結果的可靠性較高。

2.3 支反力結果

圖6 位移測量結果比較Fig.6 Comparison on results of displacement measurement

圖7 應變測量結果比較Fig.7 Comparison on results of strain measurement

圖8 支反力測量結果比較Fig.8 Comparison of support reaction force measurement

以上位移和應變測量結果的比較表明本次鳥撞試驗的重復性良好，所以，進行不同撞擊速度下支反力測量結果的比較時，僅給出了1#件、2#件、3#件的支反力比較，如圖8(a)和圖8(b)及圖8(c)所示，由于四個傳感器關于撞擊中心對稱，所以測量到的4個支反力的峰值大小和其出現的時刻基本相近，之所以出現微小差異的原因是鳥體撞擊平板的姿態及鳥體材料的非均勻性會影響到支反力在四個角點的分布，本次試驗5#件4個支反力的峰值大小和其出現的時刻一致性最好，3#件次之，1#件最差，可見，撞擊速度越高，4個支反力的峰值大小和其出現的時刻一致性越好。試驗過程中傳感器標定以壓力為正拉力為負，3件試驗的支反力均表現為壓力。由于每個試驗件的4個支反力較一致，所以任取F2為研究對象，對不同撞擊速度下不同試驗件的同一支反力進行比較，如圖8(d)所示，首先，同一組試驗的兩個試驗件測量到的結果曲線吻合性很好，表明試驗結果良好的重復性和較高的可靠性。其次，撞擊速度為36.5 m/s時，F2平均峰值約為10 kN，撞擊速度為84.9 m/s時，F2平均峰值約為30 kN，撞擊速度為118.5 m/s時，F2平均峰值約為55 kN，可見，撞擊支反力隨撞擊速度呈近似直線規律變化。

2.4 高速攝像結果

通過高速攝像系統，可以清楚地觀察到鳥體撞擊平板后的變形破碎及平板的變形過程，圖9給出了不同撞擊速度下時間間隔為1.5 ms的高速攝像結果。2#件的撞擊速度為40.2 m/s，t=0 ms顯示了鳥體與平板接觸的瞬間，撞擊位置在平板中心，鳥體軸向與平板表面法線存在夾角，t=4.5 ms前鳥體與平板之間相互作用導致鳥體破碎和平板彎曲，t=6.0 ms后鳥體反彈，撞擊結束后鳥體破碎成大塊的骨頭和肉片。4#件的撞擊速度為82.5 m/s，t=0 ms顯示了鳥體與平板接觸的瞬間，撞擊位置在平板中心，鳥體軸向與平板表面法線平行，為垂直正撞擊，t=3 ms前鳥體與平板之間相互作用導致鳥體破碎和平板彎曲，之后破碎的鳥體反彈，撞擊結束后鳥體破碎成碎小的骨頭和肉塊。5#件的撞擊速度為118.5m/s，撞擊過程中鳥體的破碎與平板的變形與4#件類似，撞擊結束后鳥體破碎成細碎的骨頭和肉沫。上述對高速攝像結果的分析表明，隨著撞擊速度的增大，鳥體的變形破碎程度不同，撞擊速度較低時，鳥體破碎成大塊的骨頭和肉片，其本構模型應該采用帶失效模式的彈塑性模型，撞擊速度較高時，鳥體破碎成細碎的骨頭和肉沫，表現為流體特征，其本構模型應該采用描述流體行為的狀態方程。

圖9 不同撞擊速度下高速攝像Fig.9 High-speed camera results under different striking velocity

3 結論

采用空氣炮裝置及動態測試設備對鳥撞45#鋼平板進行了試驗研究，得到如下研究結論:

(1)鳥撞是發生在毫秒量級的沖擊動力學行為，整個撞擊過程約為3－4 ms。

(2)每組試驗兩個試驗件位移、應變和支反力結果良好的一致性表明本次鳥撞試驗結果的可靠性，結果數據可以用來驗證鳥撞數值模擬的合理性。

(3)高速攝像結果表明，撞擊速度較低時，鳥體破碎成大塊的骨頭和肉片，其本構模型應該采用帶失效模式的彈塑性模型，撞擊速度較高時，鳥體破碎成細碎的骨頭和肉沫，表現為流體特征，其本構模型應該采用描述流體行為的狀態方程。

本文鳥撞試驗結果可為鳥撞數值模擬方法的驗證提供重要數據，特別是鳥體本構模型及參數值得進一步研究，將其程序化，嵌入有限元軟件中，為飛機結構的鳥撞數值模擬提供技術支持。

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