砂石等外來物撞擊飛機擾流板特性研究

江明 路明建 鄧云飛

摘 要：基于ANSYSAUTODYN軟件，建立SPH 砂石撞擊2024T351航空鋁合金Lagrange靶板模型，研究靶板分層和疊層順序對靶板抗撞擊特性的影響。數值仿真發現：在靶板相同厚度條件下，單層板的抗撞擊性能高于雙層板。相同彈體撞擊速度下，靶板不同疊層方式具有不同的抗撞擊能力。

關鍵詞：砂石；鋁合金擾流板；撞擊特性；數值仿真

The research on characteristics of the aircraft spoiler with impact of sandstone and other foreign objects

Jiang Ming Lu Mingjian Deng Yunfei

College of Aeronautical Engineering，Civil Aviation University of China Tianjin 300300

Abstract：The model of 2024T351 aerospace aluminum Lagrangian target impacted by SPH sandstone bullet was established by using ANSYSAUTODYN software， and the effects of target layer stratification and stacking on the impact resistance of the target were studied. The numerical simulation shows that for the same thickness target， the impact resistant of singlelayer target is stronger than the doublelayer target. The different stacking method has different impact resistance due to identical velocities of the sandstone.

Key words：Sandstone； Aluminium alloy spoilers； Impact characteristics； Numerical simulation

伴隨我國民航事業的快速發展，飛機數量和航班次數顯著增長[1]。飛機在起飛、滑行、降落過程中受到砂石等外來物撞擊的事件時有發生，在砂石撞擊飛機擾流板后，會引起擾流板的外形改變，影響飛機的操縱性，嚴重時甚至會導致飛機的失控，對飛行安全和航空公司運營帶來威脅[2]，研究砂石對鋁合金擾流板的沖擊問題顯得尤為重要。

近幾年，國內外一些學者對外物撞擊引發的損傷問題進行了研究，提供了一定的研究成果。

尹冬梅等[3]通過LSDYNA軟件模擬了砂石撞擊發動機葉片損傷的數值模擬與分析。仿真結果表明：砂石撞擊速度越大，接觸撞擊力就越大，對葉片的損傷也越大；撞擊位置越接近葉片尖部，葉根處的塑性硬化越強。

周勝田[4]通過實驗與數值仿真對比分析的方法，對航空發動機葉片受到外來物撞擊的損傷影響進行了研究。利用硬物顆粒撞擊航空發動機的葉片前緣，研究不同應力幅值情況下，沖擊能量與缺口深度的關系。研究結果表明，在低于一定應力幅值條件下，外來物撞擊損傷可以忽略不計；當高于相應應力幅值時，外來物撞擊大大降低了葉片的使用壽命。

根據研究現狀的分析，利用有限元數值模擬研究方法，建立砂石撞擊鋁合金擾流板簡化模型，揭示鋁合金板分層及疊層順序對鋁合金板抗撞擊特性的影響規律及機理。

1 數值仿真模型

1.1 砂石幾何參數和材料參數

為消除靶板邊界效應的影響，控制砂石直徑與靶板直徑比值為1：10不變。本文砂石形狀為圓球，SPH粒子尺寸為0.5mm。文中砂石的材料參數設置與文獻[3]保持一致。

1.2 靶板幾何參數和材料參數

靶板總厚度為2 mm，半徑長度與網格數比值為1，厚度與網格數比值為0.5。其中分層和疊層靶板之間接觸方式為硬接觸，即在接觸面傳遞壓力不受影響。靶板材料參數來自文獻[5]，為防止網格畸變使運算停止，將靶板的侵蝕形式設為瞬時幾何應變，值為1。用代碼表示靶板結構，T1、T2、T3、T4分別表示厚度為0.5、1、1.5、2 mm 的靶板，并且T3T1表示1.5 mm板在前而0.5 mm 板在后組成的雙層靶，其它依次類推。

1.3 幾何模型

彈體采用SPH算法，是將連續的流體用相互作用的質點組來描述，各物質點上承載質量和速度等參量，通過求解質點組的動力學方程和跟蹤每個質點的運動軌道，進而求得整個系統的力學行為。

對靶板施加邊界條件，使其在撞擊過程中保持外緣固支，圖1為砂石和靶板幾何模型。

2 砂石撞擊鋁合金板過程

圖2為10 mm直徑的砂石以300 m/s的速度撞擊T4靶板的過程圖，可以看出，砂石撞擊過程時間很短，約60 μs。

砂石彈體撞擊靶體過程大致可以分為三個階段：圓球形彈體與靶體接觸撞擊時，靶體在受彈體撞擊瞬間產生應力集中，會在高應力點形成微小的凹坑，彈體前端會沿外徑方向擠壓靶體材料，凹坑深度和區域逐漸增加，彈靶接觸面積增加，如圖 2 （a）所示。

當彈體撞擊力大于靶體的強度極限，靶體被擊穿，形成圓形擴孔并伴有明顯的局部變形，如圖 2（b）所示。彈體未完全穿過靶體時，靶體仍受到彈體擠壓，致使擴孔增大，塑性變形增加，并伴隨產生許多裂紋，中心破壞區域的靶體向后翻轉，形成花瓣形開裂，如圖 2（c）所示。由圖2 （d）可以看出，彈體完全穿過靶體后靶體破壞嚴重，失效區域有很大的塑性變形。

3 數值仿真結果和分析

為研究砂石初始撞擊條件和靶板幾何結構對靶板撞擊過程和撞擊特性的影響，本文進行了相關系列的數值仿真計算，揭示了靶板分層、疊層順序對靶板抗撞擊特性的影響規律及機理。

3.1 靶板分層影響

為探究靶板相同厚度下分層對其抗撞擊特性的影響，選取砂石直徑為10 mm，速度為200 m/s，靶板直徑為100 mm，結構為T4和T2T2。表1為砂石撞擊不同結構靶體的仿真結果。

數值仿真研究表明，靶板的分層對靶體的抗撞擊性能存在影響。從表1可知，當砂石以相同的初始條件撞擊T4靶板后，其剩余速度和剩余動能均比撞擊T2T2靶體小，速度變化量和動能變化量均比撞擊T2T2靶體大，T4單層靶板耗功大于T2T2結構的雙層靶板。表明靶板在砂石以相同速度和直徑撞擊下，靶板的分層比單層的抗撞擊性能要差一些。

3.2 靶板疊層影響

為研究靶板在相同厚度條件下疊層順序對其抗撞擊性能的影響，設計了3種疊層順序：T1T3、T2T2和T3T1。砂石直徑為10 mm，速度為100 m/s，靶板直徑為100 mm。表2為砂石撞擊三種疊層靶板的仿真結果。

仿真結果表明，靶板的疊層順序對靶體的抗撞擊性能存在影響。由表2可以看出，當砂石以相同的初始條件撞擊三種疊層靶體后，T1T3靶體剩余速度和剩余動能最小，然后依次為T2T2、T3T1靶體；T1T3靶體速度變化量和動能變化量最大，然后依次為T2T2、T3T1靶體。

三種靶體中T1T3靶體耗功最大，T2T2次之，T3T1最差。可以得出不同疊層順序靶體的抗撞擊性能由好到差的排序依次為：T1T3、T2T2、T3T1。

4 結論

利用有限元數值模擬研究方法，建立砂石撞擊鋁合金擾流板簡化模型，揭示鋁合金板分層數目及疊層順序對鋁合金板抗撞擊特性的影響規律及機理。

通過數值仿真研究，可以發現：

1）同樣初始條件下，雙層靶板結構的抗撞擊性能低于等厚度的單層靶板，靶板的分層削弱了其抗撞擊性能。

2）同樣初始條件下，靶板的疊層順序對其抗撞擊性能存在顯著的影響。

參考文獻：

[1]郝志軍，史書俊，胡安林.飛機庫消防安全[J].現代職業安全，2016（12）：7173.

[2]吳風波，肖海平，成永勤.淺析氣象服務對民航運輸業全過程決策的支持作用[J].廣東氣象， 2015， 37（1）：4751.

[3]尹冬梅，錢林方，等.葉片砂石撞擊損傷的數值模擬與分析[J].南京理工大學報，2008，32（5）：536539.

[4]周勝田.航空發動機葉片疲勞的損傷力學研究及外物損傷影響[D].東北大學，2008.

[5]李達誠.典型材料抗鳥撞特性研究[D].哈爾濱工業大學，2015.