機翼前緣結構鳥撞仿真分析與試驗驗證

王會利

（中航工業飛機強度研究所32室，西安 710065）

飛機結構鳥撞事件是危害飛機飛行安全的重要問題，因此越來越多的被人們所重視。鳥撞事故一般發生在600米高度以下的空域范圍內，對固定翼飛機而言，這一空域范圍一般僅對應飛機的起飛和降落過程，但是對于直升機而言，這一高度正是體現其優越性的飛行高度。由于直升機具有垂直飛行能力，對起飛和著陸場地的依賴性較小，因此，在執行人員和貨物運輸、緊急救生、公安巡邏、森林防火、航空攝影、海上作業等各種飛行任務時，低空飛行成為民用直升機的顯著使用特點，遭遇鳥類撞擊的可能性更大［1，2］。隨著民用直升機最大飛行速度的提高，鳥撞事故的危害性也在逐步增強。

如圖1所示，指出了本文所研究的飛機斜梁前緣部位。直升機斜梁位于機身結構的后部，前緣在斜梁前部，主要承受飛行中的氣動載荷和鳥撞載荷，而鳥撞對直升機的安全構成了嚴重的威脅。本文對4種由不同復合材料組成的前緣結構進行了鳥撞仿真選優，并對選出的最優前緣結構進行了鳥撞試驗，驗證了仿真計算結果的準確性，對后期飛機相應結構進行抗鳥撞設計及鳥撞驗證試驗有著重要的參考意義。

圖1 抗鳥撞研究的結構部位

1 仿真模型的建立

1.1 鳥體模型

準確地說，鳥體是一種由非均質材料組成的“結構”，包括羽毛、肌肉和骨骼等，水分含量很高。在實際處理中，常常將鳥體視為由90%的水和10%的空氣組成的均質混合物，即鳥體密度ρ約為900kg/m3。按照《飛機設計手冊》，采用長徑比L/D=2的圓柱體作為鳥體近似模型，即：

將鳥體視為彈塑性體，本文取鳥體直徑為87mm。在Patran中建立的有限元模型如圖2所示。

圖2 鳥體模型

1.2 前緣模型

本文中機翼前緣材料采用復合材料夾層結構，復合材料具有高比強度和高比模量，可設計性好等許多良好特性，將其用于抗鳥撞設計具有吸能好、質量輕等優點。前緣結構一采用復合材料層壓板結構，無吸能層，無支撐肋，有14層鋪層，在Patran中建立的的有限元模型如圖3所示。

圖3 前緣結構一模型

前緣結構二采用復合材料夾層結構，面板采用碳纖維復合材料，夾芯為NOMEX紙蜂窩，內外表面各四層鋪層，中間夾芯厚度為10mm，在Patran中建立的模型如下圖4所示［3］。

圖4 夾芯厚度為10mm的模型

前緣結構三、前緣結構四均和前緣結構二的模型相同，唯一不同之處是結構三和結構四的面板分別采用玻璃纖維復合材料和KEVAR玻璃纖維復合材料。

1.3 前緣結構材料參數

前緣結構采用的材料參數見下表1所示。

表1 前緣結構材料性能

2 仿真分析

2.1 鳥撞過程分析

文中應用瞬態動力學分析軟件PAM-CRASH對鳥體撞擊4種不同復合材料前緣結構進行了數值仿真分析，其撞擊過程如圖5所示［4-6］。

圖5 鳥體撞擊前緣結構示意圖

2.2 四種結構仿真結果比較

結構一、結構二、結構三和結構四在初始速度為100m/s時鳥體的動能變化如圖6所示，計算結果如表2所示。本文以鳥體動能損失量來考核前緣結構性能的優略，因為前緣結構性能越好，吸收鳥體的動能就越多，鳥體撞擊時前緣結構才不容易被擊穿。

圖6 100m/s時鳥體動能變化曲線

從表2中可以看到當綜合考慮鳥體動能損失和前緣重量時，結構四的夾芯厚度為10mm的結構最優。

表2 100m/s時計算結果比較

3 試驗結果分析

3.1 試驗件及測試點的選取

尾翼前緣應變及撞擊力測點示意圖如圖7所示，應變片位置為左右對稱分布，上下兩點各在3和2號肋附近，其中1-9為應變測點；10-13為撞擊力測點。鳥撞試驗的撞擊速度為300km/h（83.3m/s），機體軸平行于炮管軸線。

圖7 尾翼前緣應變及撞擊力測試點

3.2 試驗結果與仿真計算結果對比

試驗以前緣結構四為對象，圖8至圖11顯示出了試驗測量曲線和仿真計算曲線，這里我們只給出了4個點的對比結果，圖中實線表示試驗結果，虛線表示仿真計算結果。

圖8 測量點1處應變曲線

圖9 測量點5處應變曲線

圖10 測量點7處應變曲線

圖11 測量點10撞擊力曲線

3.3 結果分析

從仿真分析與試驗結果的曲線對比來看，仿真結果和測量點應變曲線的變化趨勢基本上是一致的，但從圖中可以看出曲線的最大值、最小值之間有一定的誤差，這可能是由于試驗件和仿真結構在材料和邊界條件方面的一些差別造成的。建模過程中我們通過改變鳥體的參數和網格的大小等有限元分析變量不斷的修正模型，使計算結果與試驗結果更加逼近。

4 結論

鳥體撞擊前緣結構過程中撞擊點附近的應變量和撞擊力通過仿真分析與試驗結果的對比很接近，曲線趨勢基本一致，由此，可以得到如下結論：試驗結果與仿真分析結果是一致的，說明仿真結果是合理的；通過仿真分析計算，較為準確的預估了鳥體撞擊前緣結構的過程，可為試驗結構的選型和試驗的順利進行提供預試驗分析，為傳感器的布置，量程的選取等提供依據，可提高試驗效率，并有效的提高物理量測量的精度及數據的可靠性，降低試驗風險。

［1］趙楠，薛璞.機翼前緣結構抗鳥撞分析研究［J］.科學技術與工程，2010，10（8）：1911-1914.

［2］張永康，李玉龍.不同構型梁-緣結構抗鳥撞性能分析［J］.機械科學與技術，2007；26（12）：1595-1599.

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［5］萬小朋，龔倫，趙美英，等.基于ANSYS/L S—DYNA的飛機機翼前緣抗鳥撞分析［J］.西北工業大學學報，2007，25（2）：285-289.

［6］朱曉東，宋春艷，朱廣榮.泡沫夾層結構鳥撞仿真分析與試驗驗證［J］.飛機設計，2012，32（5）：43-45.