基于阻抗失配機制的航空器防護結構設計的抗沖性能研究

深圳航空有限責任公司，廣東 深圳 518000

隨著經濟全球化的飛速發展和國際貿易需求的不斷增加，世界各國的貿易往來頻繁，同時航空領域爭端問題也時常出現，因此維護國家領空安全顯得越來越重要。建設航空強國需要有性能可靠的各種航空作戰裝備，使航空器的相關設備避免或者減緩沖擊荷載的毀損，是當前航空飛行器結構抗沖擊方向的研究熱點課題。近年來，航空器蜂窩夾層復合材料制造技術迅猛發展，技術較為成熟，表現出很多優異特性，具有良好的抗震性能、抗疲勞性能、吸聲性能和破損安全性。有研究表明不同的沖擊速度或者沖擊荷載，對其結構的破壞模式、沖擊能量吸收以及耗散機制是不同的。

基于阻抗失配機制研究結構的抗沖擊性能，國內外有許多學者和科研機構對其進行了深入和廣泛的研究，并取得了一些有意義的成果。汪玉等[1]提出了一種敷設于艦艇濕表面，隔離水下爆炸沖擊波的艦艇抗沖瓦新概念，其研究結果表明，空腔覆蓋層能夠很好地隔離水下爆炸沖擊波，降低船體結構的材料應變和加速度沖擊響應的峰值；黃修長等[2]根據彈性波在周期性結構中傳播時會形成特殊的阻帶和通帶結構的特性，設計了一種虛擬的周期結構的機械濾波器，不僅有效降低了總體機械的振動，還具有良好的抗沖擊性能；劉中等[3]和任少飛等[4]基于阻抗失配原理設計了隔振效果良好的聲學結構，并分析了振動波在結構中的波形轉換、散射和反射問題；羅澤立[5]利用波動頻率方法從機理上研究了沖擊波能量在覆蓋層中的反射和投射規律，以及覆蓋層參數變化對沖擊波能量的影響。

為了探究沖擊波荷載在不同阻抗介質中的傳播規律，文章利用非線性大型有限元軟件ABAQUS進行數值仿真分析，通過對比發現，在阻抗失配特性下，利用了空氣阻抗遠遠小于超彈性周期空腔覆蓋層結構和鋼結構的阻抗，使沖擊波被大量地消耗在介質中，起到了結構抗沖擊的作用。該研究成果為航空器結構的抗沖擊設計及其設備減振方案提供了理論支撐和新思路，對保障航空器的生命力具有十分重要的意義。

1 有限元計算模型

敷設實心、空心橡膠覆蓋層后的結構模型分別如圖1、圖2所示。模型均由橡膠覆蓋層和鋼結構組成，需要說明的是，此仿真算例左側為橡膠覆蓋層，右側為鋼材，且圖1左側的橡膠覆蓋層為實心結構，圖2左側的橡膠覆蓋層為周期圓形空腔結構。在不影響數值計算結果和提高計算效率的基礎上，對數值仿真模型進行簡化處理，在4個側面施加滾軸支撐，且鋼結構的另一端設置為完全固定端，設置z向為主軸應變方向，將復雜的三維問題變成簡單的一維應變問題。覆蓋層結構的材料選用超彈性橡膠材料，通過對實驗數據進行擬合得到該算例可用的超彈性材料參數，拉伸試驗臺如圖3所示。其他材料參數如下：鋼板彈性模量為210GPa，其密度為7800kg/m3，泊松比值為0.3。

圖1 敷設實心橡膠覆蓋層后的結構模型

圖2 敷設空心橡膠覆蓋層后的結構模型

圖3 拉伸試驗臺

2 數值計算結果分析

通過對比分析研究覆蓋層有無空腔結構對結構的瞬態響應和抗沖特性的影響。首先從理論角度進行分析，假設文章建立的數值仿真分析模型其不同結構材料具有不同的聲學阻抗，覆蓋層結構介質的阻抗是ρ1c1，鋼結構介質的阻抗是ρ2c2。由已知材料的參數計算可知，覆蓋層結構材料的阻抗遠小于鋼結構材料的阻抗，也就是應力波由所謂的“軟材料”進入“硬材料”，同時又含有空腔的覆蓋層，空腔里面的介質為空氣，在“軟材料”中的傳播速度慢，在“硬材料”中傳播速度快。沖擊波在不同的聲學阻抗介質中的傳播特性是不同的，并且在不同介質中間界面也會產生反射波和透射波。

不同時刻結構單元節點應力云圖如圖4所示。通過對比圖4中的2組有限元仿真云圖發現，在相同的時刻，鋼結構和空腔覆蓋層超彈性材料的耦合面上僅在小區域范圍出現了最大應力，而無空腔覆蓋層結構的最大應力分布區域面積較大；覆蓋層介質與空腔存在阻抗失配條件，且在空腔邊界處存在波形轉換特性，這都會影響應力波在結構中的傳播規律，進而影響結構中應力的分布狀況，最終削弱應力平均幅值，進而起到結構的防護抗沖作用。

圖4 不同時刻結構單元節點應力云圖

覆蓋層結構內能隨時間變化曲線如圖5所示。從圖5可以看出，在受沖擊波荷載初始階段能量數值趨于穩定，外力對系統所做的功大部分轉化為覆蓋層結構的內能和動能。具體而言，在0.05ms時，結構的動能-時間曲線開始出現快速上升趨勢，約在0.1ms時結構動能出現峰值，達到最大值，大約為1.1MJ，說明受沖擊過程中在后期覆蓋層結構主要起到能量黏性耗散作用。由于覆蓋層的材料為超彈性的橡膠，其可壓縮性較小，使得應力波在覆蓋層結構中的傳播受到一定的影響。對比有無空腔覆蓋層的抗沖作用發現，沖擊荷載能量一部分被覆蓋層結構的空腔變形勢能所儲存起來，同時也有一部分以熱能的形式被耗散掉，從而有效提高了結構的抗沖擊性能。

圖5 覆蓋層結構內能隨時間變化曲線

3 結論

文章基于阻抗失配機制，以波動理論為基礎，分別選取實心和空心覆蓋層在受到相同沖擊波荷載時，利用數值仿真方法對一維應力波在結構與覆蓋層中的傳遞特性進行了深入研究，該研究結果對指導航空器結構的抗沖擊設計具有重要的參考意義。通過對比分析得出了以下結論：

（1）覆蓋層介質與空腔存在阻抗失配條件，且在空腔邊界處存在波形轉換特性，這將會使應力波在結構中的傳播受到較大的影響，成為影響結構中應力分布不均的主要原因。

（2）通過數值分析后處理云圖可以發現，有空腔結構覆蓋層結構整體的動能和內能比沒有空腔結構的數值大。沖擊波荷載能量一部分轉化為覆蓋層結構的空腔變形勢能儲存起來，同時也有一部分以熱能的形式被耗散掉，起到了非常好的吸能抗沖擊作用，提高了結構的抗沖擊性能。