航空合金板鳥撞實驗結果分析及模型建立

王裕琳，蘇長青，趙天

（沈陽航空航天大學安全工程學院，遼寧沈陽 110135）

鳥撞是一種因飛鳥與空中高速運動物體（如客機等）相撞而引發的事故。在航空業中，因鳥撞事故所引發的事故其直接和間接經濟損失非常之高。目前各個國家都采用一定的措施來避免航空工作中的鳥撞事故，但沒有任何一種方式能完全防止此類事故的發生[1-3]。

因此在關于飛機結構的可靠性研究中就要將飛機本身的結構承受能力考慮其中，一方面要保證飛機有著一定的承受能力，即使在發生事故的情況下也能夠保持最低的承載能力不致墜毀[4-5]；另一方面要考慮到飛機等空中運載工具在實際情況下的運行成本，這就要求飛機在結構上盡可能地刪減其冗余結構，同時增加其容納能力[6-7]。

考慮到鳥撞事故的特殊性，飛機在結構上的設計要求應滿足其強度能保證飛機結構在任意可能遭受到鳥撞的位置，受到飛鳥沖擊后仍能保證飛機本體結構完成飛行功能的可靠性。即事故后果在可承受范圍內，通過提高飛機結構的抗鳥撞能力，使其遭受事故后飛行器仍保有完成功能的特性。目前，進行鳥撞檢驗的方式是以通過空氣炮撞擊的方式檢驗飛機上結構及材料的可靠性：空氣炮以其內部的壓縮空氣推動“鳥彈”撞擊實驗材料以模擬高速運行條件下的撞擊情況，再由計算機收集相關數據以供分析。結合實驗結果判斷該種材料或者結構是否滿足可靠性要求[8-10]。

本文提出以航空合金板作為實驗材料，使用由氣罐、炮管等裝置組成的發射裝置為選取的模擬鳥彈進行加速，并選擇紅外線測速儀測量沖擊速度。選取超動態應變儀作為數據采集工具，收集碰撞瞬間金屬應變片因應變而產生電壓信號并加以處理。利用Ansys有限元程序對模擬實際情況下的鳥撞事故進行動態分析，同時建立該種材料的力學分析模型，將模擬結果與實驗數據比較，得到沖擊施加于合金材料板上的應力及應力所帶來的應變，通過量化的模型得出應力、應變分布規律。實驗結果為建立擬合度較高的分析模型提供了數據支持，通過數據驗證的分析也為后續同類型模擬計算提供了實驗依據和驗證實例。

1 鳥撞實驗

本實驗將選用圓柱形塑膠鳥彈作為鳥撞實驗的撞擊物，其直徑為10 cm，高度為7 cm，質量為43.7 g，經加速后撞擊于航空合金板上，合金板長度H=25 cm，寬度L=15 cm，厚度為1.5 cm。本次實驗共使用16 個通道同時連接16 枚應變片，旨在盡可能多地收集撞擊數據，以記錄實驗全過程。在粘貼應變片前，對合金板可能受撞擊區域進行預測，考慮到重力對于模擬鳥彈軌跡的影響，在受擊區域下半部進行多組數據收集，如圖1 所示。

圖1 實驗材料示意圖

氣罐、炮管等裝置組合成的發射裝置如圖2（a）所示，發射模擬鳥彈前通過填充空氣方式使得氣罐內部氣壓升高，達到設定閾值后停止充氣，該閾值與模擬鳥彈預計速度及質量有關。實驗開始時，氣罐內壓縮空氣瞬間釋放，使模擬鳥彈以特定速度撞擊航空合金材料，使用應變儀收集撞擊數據，如圖2（b）所示。

圖2 部分實驗設備示意圖

2 實驗結果及模擬分析

2.1 實驗結果

為了獲得撞擊時的準確數據，將對高速運動下的模擬鳥彈進行速度測量，此處選取紅外線測速儀，分別放置于撞擊前30 cm 與40 cm 處，為減小誤差而進行2 次對塑膠鳥彈速度值的測量，并取其平均值作為鳥彈最終撞擊時的速度。塑膠鳥彈通過紅外線測速儀時所得到數據分別為122.948 m/s、121.558 m/s，此處取平均值，即撞擊瞬間速度為122.253 m/s。

圖3給出部分應變儀所采集的結果，由圖3 可知，對于同一材料不同位置，在同一實驗中所得結果相差較大，并由對比可知，靠近撞擊中心區域其產生電壓信號理論值應為最高。

圖3 應變儀收集部分電壓信號數據

對于撞擊所產生結果，應盡量選擇時間較早的結果。對于事故后果分析，應選擇撞擊最嚴重處，即應變片受到應力產生最大電信號之處。綜合以上兩點因素，最終選擇通道14 所測量的結果，放大后如圖4 所示。撞擊瞬間，通道14 連接應變片因應變所產生電壓信號經放大后的最大值為-7 215，單位為mV，可通過該點分析沖擊對于合金材料的影響。

圖4 通道14 所采集電壓信號數據圖

應變儀內部采用惠斯通電橋測量電阻變化，在本次實驗中，用金屬應變片代替可變電阻接入電路，應變片有應變產生時，記應變片電阻變化量為ΔR，輸出電壓的計算公式如下：

式中：e為電橋輸出電壓，單位mV；R為可變電阻初始電阻值，單位Ω；U為橋路輸入電壓，單位V。

代入R=120 Ω，U=2 V，e=7 215 mV后可得0.007 215=（1/4）×（ΔR/120）×2，ΔR=1.731 6 Ω。

對于金屬應變片電阻變化及應變相關計算，有以下公式：

式中：K為金屬應變片靈敏系數，此處取儀器設計使用值，即K=2；ε為金屬應變片產生的應變值，單位με。

代入ΔR=1.731 6 Ω，R=120 Ω后，可得1.731 6/120=2×ε，ε=0.007 215 με。

以上數據為金屬應變片由于受外力而產生形變值，而后對這一數據進一步分析。

本次所采用應變片材料為康銅合金，對于康銅合金應變片，可根據其成分知道其彈性模量約為110 GPa。結合應力、應變及彈性模量，可選擇使用公式：

式中：E為金屬材料的彈性模量，單位GPa；σ為金屬材料受到的應力，單位MPa。

代入具體數值就可以得出金屬應變片在合金材料受測面上在撞擊時所收到的應力，即：

計算可得，撞擊時合金板在撞擊中心區域的內測測量面上受到的應力約為793.65 MPa。

2.2 模擬分析

利用Ansys 軟件中Workbench 及Ls-dyna 模塊對此次撞擊作出受力分析。給予圓柱形塑膠鳥彈由測速儀測定的撞擊速度，即122.253 m/s 為初速度撞擊合金板，以合金板四邊作為固定支撐開始進行撞擊模擬，所得到模擬結果如圖5 所示。

圖5 模擬撞擊瞬間合金板受力圖

由模擬結果圖可知，當塑膠鳥彈撞擊于合金板時，其受力面上撞擊中心點受力應為927.92 MPa，測量面上撞擊中心點受力應為804.51 MPa。模擬撞擊瞬間鳥彈對板材中心區域內長約9.47 cm、寬約4.21 cm 的區域施加最大應力，應力最大值為793.65 MPa，應力使板材產生最大應變在板材中心區域內長約8.29 cm、寬約3.5 cm 的區域，最大應變值約為1.56 mm。

將實驗所得數據793.65 MPa 與模擬所得數據804.51 MPa 進行誤差計算可得誤差率：

16 個通道中靠近受力點的8 個通道所測出的可用數據如表1 所示。

表1 撞擊實驗所測得可用數據

根據分析模型可知，13、14、15 號應變片都位于撞擊中心區域，但13 號實際所測數值767.33 MPa 與理論模擬值804.51 MPa 相差較大，誤差率為：

5 號應變片距離撞擊中心較近，模擬結果表明，5 號應變片應處于撞擊中心臨界區，該區域所受應力理論模擬值為649.96 MPa，實測數值為591.74 MPa，誤差率為：Δσ=[（649.96－591.74）/591.74]/100=9.84%。

將表1 內8 個通道所測出可用數據與模擬結果對比可得：以14 號應變片為撞擊中心的最大應力區域與模擬結果基本符合，中心點應力誤差率為1.37%。板材所受應力隨著距離撞擊中心點的增加而快速降低，且沿板材較短邊方向所受應力衰減速度明顯較快，因應力所產生應變分布規律與應力分布情況基本相同。但在撞擊中心點上方區域的實驗所得數據與模擬結果誤差較大，撞擊中心邊緣區域其模擬值與實測值誤差率明顯增大，原因為實際撞擊時模擬鳥彈撞擊角度與撞擊模型不同，應力沿板材較短邊方向衰減速度過快。綜上所述，由本次實驗所建立的模擬模型與本次實驗所得實際結果在應力、應變誤差率在可接受范圍內，該模型通過實驗數據驗證，可信度與擬合度較高。

3 結論

本次實驗利用Ansys/Ls-dyna 程序，對某航空合金材料板上的鳥撞實驗進行全程動態分析，旨在通過數據擬合及驗證建立數據可信度較高的動態分析模型。

由實驗結果可知，模擬鳥彈在撞擊區域，于撞擊瞬間在合金材料受擊面施加較大沖擊力，最大應力在撞擊中心點位置，由模擬鳥彈撞擊對合金材料外表面施加927.92 MPa 的力，同時對粘貼于內測面的金屬應變片施加約793.65 MPa 的應力，并使合金材料在沖擊力作用于的撞擊區域周圍發生明顯形變。而后通過應變片及模擬計算得到在受擊中心區域的測量面上所得的數據，發現沖擊使得粘貼于合金板內側金屬片產生應變及較高電信號，可見沖擊事故對于使用該種合金材料作為外殼的航天器，在其受擊中心區域會造成較為明顯的影響，但事故持續時間較短，并未造成材料破壞，且沖擊影響隨著距離受擊中心區域的增加而有著顯著降低，應力沿合金板材較短邊衰減速度明顯較快。同時，模擬鳥彈撞擊合金板材的角度對于結果也有一定影響，使用該模型進行后續分析時應選取靠近撞擊中心區域以減小誤差。

本次實驗中所建立模型與實驗所得結果相差較小，誤差率相對較低，目前可認為本模型在分析該種合金材料以及使用該種合金材料的航天器進行鳥撞分析時，可以提供初期的結構分析結果，檢測其外表或其結構是否滿足相關要求，亦可對后續已有結構改進提供理論數據計算支持，便于設計人員快速得到可靠的分析數據，以用于進一步的實驗及運算。