某型飛機口蓋撞擊問題研究

胡益富，黃曉霞，夏佳麗，黎永平

(航空工業洪都，江西 南昌，330024)

0 引言

某小型無人飛機在降落回收接觸地面時，飛機頂部的降落傘鎖體爆炸將降落傘與飛機分離，與機體連接一側的鎖體將直接砸向飛機機身背部中段。機身中段為油箱，背部油箱口蓋采用全復合材料，口蓋遭受沖擊可能導致油箱破損漏油，將嚴重威脅飛機正常使用。

復合材料結構在受到外來物沖擊，特別是低速沖擊時，極易產生各種內部損傷破壞，削弱了復合材料性能。 萬玉敏［1］采用實驗的手段得出泡沫夾層復合材料抗沖擊能力比復合材料層合板好的結論，但沖擊問題已成為復合材料發展的主要技術障礙。因此在結構設計中考慮復合材料低速沖擊損傷問題，提高結構的抗低速沖擊損傷性能就變得非常重要。

復合材料沖擊損傷一般分為層內損傷和層間損傷，基于這一點發展出不同的損傷預測模型。

層內損傷的分析采用基于傳統應力強度理論的預測模型［2］。該模型是以材料內部某點處的應力水平或一定區域的平均應力水平作為失效準則來判定損傷的產生。由于復合材料損傷破壞機理十分復雜，失效準則往往不具有普遍適用性，因此出現了大量的失效準則，如最大應力失效準則、修正的Tsai—wu 失效準則、Hashin 失效準則、Chang－Chang 失效準則等。

層間損傷的分析基于損傷僅在纖維鋪設角度不同的兩相鄰子層之間的界面處產生、擴展。因此，在可能發生分層的子層間引入一層厚度極薄界面單元，通過界面單元的失效破壞，可以真實有效地模擬預測分層損傷的產生及其擴展過程［3］。

各種損傷模式可能單獨或結合在一起發生，眾多的損傷破壞因素，給實驗研究帶來了很大的困難。因此，借助仿真分析軟件可以加快產品設計，降低實驗成本［4-7］。

本文將采用被廣泛使用的瞬態動力學仿真分析軟件MSC.Dytran 對油箱口蓋進行沖擊動力學仿真，前處理軟件采用MSC.Patran 軟件，不考慮層間破壞，復合材料面板損傷失效采用Chang－Chang 準則。

1 油箱口蓋低速沖擊分析

降落傘與機體連接一側的鎖體重量為163.3g，依據降落傘分離高度、爆炸能量換算，相當于鎖體從5m高處跌落，即與口蓋的撞擊速度為9.82m／s。口蓋及鎖體結構形式如圖1 所示。

圖1 復合材料泡沫夾芯口蓋結構簡圖

1.1 模型建立

口蓋為復合材料泡沫夾芯結構形式，理論重量295.8g。 油箱口蓋內、外表面均采用四層碳纖維，單層纖維板厚度0.2mm，單層板材料性能見表1。 內、外表面鋪層均為［0／45／90／－45］。

表1 復合材料單層板材料性能

不考慮層間破壞，復合材料面板損傷失效采用Chang－Chang 準則［8］，其失效判斷如下：

纖維折斷：

基體開裂：

基體壓縮：

Xt—縱向拉伸強度；Xc—縱向壓縮強度；Yt—橫向拉伸強度；Yc—橫向壓縮強度；S—剪切強度。

夾芯采用PMI 泡沫，泡沫厚度10mm，材料性能見表2。 泡沫夾芯可認為是各向同性材料，采用最大應力失效準則判斷損傷。

表2 泡沫材料性能

降落傘分離鎖體采用剛體模擬，由圖1 可以看出鎖體兩個耳片較為鋒利，為嚴酷考核，需準確模擬，保留其真實外形并使尖端朝下，且位于口蓋中部。為真實反映口蓋連接慣性，建立部分支持結構?？谏w內、外面板采用板元模擬，泡沫夾芯采用體元模擬。計算過程中考慮重力場，有限元模型如圖2 所示。

圖2 有限元模型

1.2 結果分析

采用MSC.Dytran 瞬態動力學軟件，進行分析計算。計算所得口蓋變形如圖3 所示，上面板被穿透，下面板中部凹陷，泡沫中部被壓扁?？谏w下面板中部垂向位移時間曲線如圖4 所示，最大位移達到12mm。沖擊結束后，發生彈性振動，振動結束后，復合材料泡沫夾層板并沒有回到初始的未變形形態，而是保留一定的殘余變形。 計算表明結構遭受嚴重破壞，下面板遭受損傷，將導致燃油滲出，必須改進結構。在實際試飛當中，口蓋破損表明該仿真計算結果具有一定的可靠性。

圖3 口蓋變形示意圖

圖4 口蓋下面板中部垂向位移時間曲線

2 口蓋方案優化

2.1 全金屬方案

由于金屬抗沖擊能力優于復合材料，尤其是低速沖擊，首先對全金屬口蓋方案進行研究，比較全金屬方案是否更輕。為了不改變全機材料體系，口蓋材料為LY12 鋁合金，材料性能見表3，結構形式如圖5 所示。中部布置縱、橫兩條加強筋，筋條高度5mm，筋條厚度1.5mm?？谏w厚度通過沖擊圖5 中1~4 點保證不破的前提下，優化厚度，最終確定為1.2mm。

表3 LY12 材料性能

圖5 金屬口蓋方案示意圖

各沖擊點計算結果如圖6 所示，最大沖擊位移為10.5mm，位于1 號點。 同樣存在沖擊結束后，發生彈性振動并保留一定的殘余變形，由于沖擊能量相同，各點殘余變形量相當，但金屬存在一定延展性，口蓋未破損。 比較圖4 和圖6 可以發現，復合材料口蓋殘余變形小，振動頻率低，吸收沖擊能力強。

圖6 口蓋沖擊點垂向位移時間曲線

該金屬口蓋理論重量為347.1g，較第2 節中復合材料口蓋增重51.3g。

2.2 改進方案

復合材料輕、吸收沖擊能力強，金屬材料抗沖擊、延展性好，將二者結合在工程中已有大量運用，如金屬蜂窩夾層結構，金屬泡沫夾層結構等。為改進口蓋結構，降低滲油風險，基于MSC.Dytran 計算結果，將復合材料口蓋下面板改為0.5mm 的LY12 鋁合金材料，計算結果如圖7 所示。上面板同樣被穿透，下面板中部凹陷，泡沫中部被壓扁。口蓋下面板中部垂向位移時間曲線如圖8 所示，與圖4 和圖6 比較可知，沖擊最大位移為5.6mm，明顯低于前兩種方案；振動幅度較小，殘余變形較大，由于口蓋與油接觸的下表面為金屬材料，因而下表面不會受到破壞而滲油。

圖7 口蓋變形示意圖

圖8 口蓋金屬下面板中部垂向位移時間曲線

該方案重量為324.4g，相對全復合材料方案僅增重28.6g，比全金屬方案輕。

3 結語

利用MSC.Dytran 有限元軟件對某型無人機關鍵油箱復合材料泡沫夾芯口蓋進行低速沖擊仿真分析，發現該口蓋存在破損滲油風險，通過與全金屬方案對比，最終提出將復合材料口蓋下表面改為金屬材料，既充分利用了復合材料吸收沖擊能量的能力，又兼顧了密封性能，保證了飛行安全。