航空结构冲击动力学技术的发展与展望

2020-04-07刘小川王彬文白春玉1惠旭龙1陈熠1张宇1

航空科学技术 2020年3期

刘小川＊，王彬文白春玉1，惠旭龙1，陈熠1，张宇1，

1.中国飞机强度研究所，陕西西安 710065

2.结构冲击动力学航空科技重点实验室，陕西西安 710065

从学科定义出发，结构冲击动力学是固体力学的一个分支，它涉及物理、力学和材料科学等多个学科，主要研究固体或结构在瞬变、动载荷作用下的运动、变形和破坏规律，主要关注应力波的传递和结构的动态响应[1]。在航空工程中，飞机服役和运营过程中可能遭遇到一系列冲击动力学问题，如飞机正常着陆/非正常着陆、飞鸟等离散源撞击、发动机包容性、战斗损伤或客舱内的最小风险炸弹位置等[2]。对于相关的问题，军用飞机结构强度规范、民用飞机适航标准、发动机适航标准都有明确的要求，都要在设计中考虑可能的冲击载荷影响，并采取减缓冲击损伤的结构设计手段和系统布置方案，并对冲击损伤后剩余强度和安全性进行评估，如果有必要，还需要进行物理试验验证。

航空结构冲击动力学主要研究典型场景下冲击载荷高精度预计方法、冲击载荷和结构之间的耦合效应、动态响应的高精度分析方法与工具，以及减缓或控制冲击损伤的设计方法，同时开发在实验室内再现这些冲击现象或验证结构设计的试验装置，并提供标准化的试验方法。

航空结构冲击动力学涉及到材料非线性、结构大变形、动态断裂与失效、接触、摩擦等复杂力学问题，一直是固体力学与相关交叉学科的研究热点。特别是近20年，一批重大军民机型号相继立项，相关问题的重要性更加凸显，航空结构冲击动力学研究获得了更多的关注和更高的重视。

为推动技术的进步和支撑型号的研制，迫切需要建立航空结构冲击动力学技术研究体系和试验验证能力体系，结构冲击动力学航空科技重点实验室（简称实验室）的设立恰逢其时，实验室于2015年挂牌成立，研究方向主要包括材料/结构冲击性能与损伤机理、结构坠撞动力学分析与试验技术、起降装置冲击动力学分析与试验技术和离散源冲击分析与试验技术等，近年来又衍生了结构冲击动力学工具软件研发、仿生智能结构/材料研发与应用等新的研究方向。成立以来，实验室始终致力于航空结构冲击动力学领域的新技术、新方法研究，并打造系列化的冲击动力学专用试验测试条件，并紧密联合高等院校和其他科研机构开展学术研究工作，积极有效地发挥了重点实验室的创新平台作用。

本文梳理了航空结构冲击动力学专业的内涵，结合实验室的建设，介绍了近年来以实验室为代表的国内航空结构冲击动力学专业技术体系构成、冲击动力学重大试验能力的发展和关键技术的突破情况等，总结提炼了重要技术方向的发展趋势和主要研究热点，并对未来发展进行了展望。

1 航空结构冲击动力学技术体系

航空结构冲击动力学研究的主要方向或领域有多种划分维度。从冲击速度维度看，主要包括飞机正常着陆/非正常着陆（冲击速度一般不超过10m/s）、舰载机的弹射起飞/拦阻着舰（冲击速度一般在60～80m/s）、飞鸟等离散源撞击（冲击速度一般在50～300m/s）、发动机包容性（冲击速度一般在500m/s左右）和战斗损伤或客舱内安保问题（冲击速度可超过1000m/s）等，如图1所示；从研究对象维度看，主要包括材料级的动态力学性能、元件级的动态连接失效和界面非连续动力学问题、结构件级的动态能量吸收与响应控制、整机级的动态载荷、应力波传递、能量耗散与动态响应等；从研究方法维度看，主要有理论建模方法、数值计算方法和试验研究方法等。

图1 从速度维度划分的主要航空结构冲击动力学问题Fig.1 The aviation impact dynamics research area by velocity dimension

航空结构冲击动力学技术体系构建的总体思路是基础技术共用化、专项能力特色化、载荷环境多样化。基础技术能力主要指动态测量技术、试验数据处理与大数据技术的应用、考虑动力学边界效应的试验夹具设计技术等；专项能力主要指材料/元件动态力学行为、鸟撞等离散源撞击动力学、坠撞动力学、飞机起降动力学等特色方向，以及冲击动力学工具软件研发和新型轻质材料/结构的冲击动力学行为研究等，核心是要突出航空特色；载荷环境多样化指的是要考虑冲击载荷与其他因素的相互关系问题，如极端气候、高温、复杂应力边界下的冲击动力学问题等，要充分考虑航空结构的运营和服役需求。技术架构框架见表1。

表1 航空结构冲击动力学技术架构Table 1 Technology frame of aviation structure impact dynamics

2 材料动态性能与损伤机理研究

材料动态性能和损伤机理主要研究航空材料和典型结构的动态力学性能和损伤机理，其中，中低应变率（10-1～103s-1）条件下材料的动态力学性能测试与表征技术是实验室的研究特色。已建成了由万能材料试验机、高速液压伺服材料试验机和霍普金森杆装置、非接触测试系统等组成的体系化材料动态力学性能试验设施（见图2），具备的研究能力包括：（1）宽应变率（10-4～104s-1）范围下材料的动态力学性能试验与表征；（2）航空紧固件、典型连接结构动态失效试验与失效判据构建；（3）特殊环境下（高低温、复杂应力状态）材料/结构的动态力学性能试验与失效机理；（4）材料动态力学性能试验测试新方法应用与动态本构数据库构建等，如图3、图4所示。

通过高速液压伺服材料试验机进行材料的中等应变率动态力学性能测试时，试验系统加载链的惯性效应和应力波效应引起动态载荷测试信号的振荡，掩盖了材料动态失效过程的真实载荷信号，通过材料拉伸载荷近端间接测试方法，有效地消除了试验加载的惯性影响，实现中低应变率范围内材料动拉伸载荷的精确测量[3]。针对材料动态拉伸应变场的测量问题，引入了非接触测试与分析手段，解决了由脆性到高韧性的材料动拉伸应变非接触测试问题。归纳了材料中低应变率动态本构模型，研发了材料中低应变率力学性能试验数据分析专用软件。

在航空材料动态力学性能研究方面，目前已获得了多种典型航空材料[4-7]在中低应变率范围下的动态力学性能数据，结合材料的准静态和高应变率力学性能数据，建立了宽应变率范围下材料的动态本构关系，实现了材料与相关力学性能的完整表达[8]。该技术方向成果成功应用于多个军民机型号的机体材料选型，为各类结构的抗冲击评定提供了精确的材料动态力学性能数据。

在航空紧固件、连接结构的动态力学性能研究方面，在国内较早突破了航空紧固件、典型机械连接结构的动态复合加载试验技术研究[9]，建立了航空紧固件动态复合加载失效判据方程，并结合理论推导、数值仿真等手段，探索了冲击速度和拉-剪复合加载方式对紧固件失效模式和力学特性的影响规律[10-13]。高锁螺栓的动态复合加载失效特性如图5所示。

图2 材料动态性能试验设施Fig.2 Experimental device for dynamic properties of materials

图3 动态拉伸应变非接触测试Fig.3 Non-contact strain test

图4 2A16-T4铝合金动态力学性能曲线Fig.4 Dynamic mechanical property curve of 2A16-T4 aluminum alloy

在点阵材料、含能材料等特殊材料的动态冲击性能研究方面，研制了专用的材料动态力学性能试验加载支持装置，基于高速液压伺服材料试验机，实现了适用于不同环境温度、不同加载状态的快速加载试验能力，在含能材料、点阵材料、蜂窝材料及负泊松比材料等特殊材料的动态力学性能研究中获得工程应用[14]。图6为连接结构的动态拉伸失效过程，图7为含能材料不同温度下的动态压缩结果。

国内西北工业大学、中国科学技术大学、宁波大学、中科院力学所等单位则在高应变率下材料动态性能与损伤机理方面开展了多年的研究工作，如西北工业大学在极端环境下材料/结构的力学行为研究方面开展了卓有成效的工作[15-18]。

材料动态性能与损伤机理领域的研究热点主要有：新型材料（如3D打印材料、形状记忆合金等）动态力学性能试验方法与失效物理机制[19-22]、复合材料机械连接结构复杂动态加载失效模式[23，24]、多场耦合环境下材料的宽应变率动态力学行为[25]和金属/复合材料的动态力学性能试验规范与数据库构建[26，27]等。

图5 高锁螺栓的动态复合加载失效特性Fig.5 Dynamic loading failure characteristics of high lock bolt

图6 连接结构的动态拉伸失效过程Fig.6 Dynamic tensile failure process of connecting structure

图7 含能材料不同温度下的动态压缩结果Fig.7 Dynamic compression of energetic materials

图8 民机适坠性多层级研究技术体系Fig.8 Multi-level research technology of civil aircraft crashworthiness

3 结构坠撞动力学研究

结构坠撞动力学主要研究复杂边界下的航空结构能量吸收设计方法、大型复杂机体结构的冲击动力学建模与分析方法、坠撞环境下客舱安全综合分析与试验方法、应急断离机构设计与试验方法、冲击动力学缩比理论与模型设计方法和大型全尺寸结构坠撞试验方法等。具备的试验能力包括：（1）能量吸收试验台，包括大质量跨度落锤试验台、大质量跌落试验台等；（2）客舱结构件/舱内设施冲击试验台，包括航空座椅动力学试验台、航空坐垫刚性座椅试验台、行李箱冲击试验台等；（3）机身段/全机坠撞试验系统等。配套有完备的接触/非接触动态测试能力，形成了从材料到整机的系列化、多层级能量吸收/坠撞动力学试验能力。

飞机在可生存的应急坠撞过程中，主要通过机身下部结构的变形和失效吸收冲击能量，减缓冲击载荷，通过合理的刚度和吸能特性设计，能保证在客舱地板下部结构吸收能量的同时保证机身客舱地板上部结构的完整性，给予乘员充足的应急坠撞生存空间[28]。实验室率先在国内开展民机结构应急坠撞动力学相关研究（见图8），结合物理试验与数值仿真相结合的研究手段，构建了覆盖“吸能元件—典型结构件—吸能组件—典型结构/系统—全尺寸机体结构”多层级的结构坠撞动力学研究分支。

实验室完成了一系列民机结构的坠撞试验，在2012年完成了国内首次机身框段坠撞试验，试验测试的数据包括地面撞击载荷、试验件的撞击速度及其变化情况、试验件动态破坏过程的姿态和模式变化、关键部位的应变和加速度、假人的加速度响应及肢体运动形态、安全带载荷等[29-31]。对比典型机身框段数值仿真和坠撞试验的结果，两者总体失效模式一致，坠撞峰值载荷分析结果与试验结果相比，误差在±10%以内。图9为金属机身结构坠撞试验。

图9 典型金属机身结构坠撞试验Fig.9 Typical fuselage section structure crash test

客舱安全是民机适坠性研究的重点，航空座椅作为客舱内的重要结构系统，在乘员安全和客舱安全方面起着重要的作用，实验室配套了高精度加速度试验台和航空假人，开展了系列弹性/刚性座椅[32]的动态冲击试验，构建了完善的航空座椅/假人及其约束系统动态冲击试验与评估体系（见图10）。另外，实验室还开展了航空座椅坐垫、靠垫的动力学性能表征方法研究，提出了航空座椅坐垫、靠垫的适航等效替换验证方法，研究成果支撑了系列国产化航空座椅的研制和适航审定，并在可替换航空座椅坐垫的研制中取得了实际的工程应用。

南京航空航天大学、北京航空航天大学、西北工业大学、中国民航大学等单位则主要在飞机结构抗坠撞分析与优化设计方面开展了多年的研究工作[33-36]。

结构坠撞动力学技术领域的研究热点主要有：先进吸能材料/结构的研发与抗坠撞应用[37]、面向民机适航的结构坠撞动力学分析评估方法[38-40]、考虑应急坠撞场景的人员应急撤离分析与试验方法[41-44]、冲击载荷下航空座椅/乘员耦合动力学分析与试验方法[45，46]、多层级的机体结构抗坠撞试验方法与高精度坠撞动力学评估等。

图10 航空座椅系统动态冲击试验Fig.10 Dynamic impact test of aviation seat system

4 离散源撞击动力学研究

离散源撞击动力学主要研究离散源撞击试验技术、创新的结构设计方法、高精度的数值计算方法和相关力学基础问题等，已建成了由D50/D30口径二级高速空气炮、D180/D80口径低速空气炮等组成的系列离散源撞击试验设施，具备的试验能力包括：（1）按军机规范和民机适航标准开展各种规格离散源（飞鸟、冰雹、轮胎碎片、碎石等）撞击试验能力；（2）轻小型无人机撞击试验能力，包括人员碰撞和各种地面财产碰撞；（3）军机作战场景下典型射弹、破片、杆条等高速撞击试验能力等。

在结构抗鸟撞研究中，为提高试验结果的重复性，更好地验证数值方法，研究中提出了可以用人工鸟替代飞鸟，实验室在国内率先研制成功了工程实用的人工鸟，其主要成分为明胶，是一种典型的多孔材料，在高速撞击条件下的动态力学特性与真实鸟体具有一定相似性，均呈现出流体的特性，可以用状态方程描述其动态本构关系[47]。在鸟撞过程中，影响撞击载荷或结构破坏模式的主要是鸟体的密度、速度、质量和撞击方向等，因此人工鸟研制的关键控制参数是其密度和质量分布，一般用长径比为2∶1、两端半球中间圆柱的几何体描述等效鸟体。通过典型平板撞击试验，研究了人工鸟与真鸟的等效关系，试验表明人工鸟与真鸟平板撞击试验中的响应特征基本一致[48]，并通过试验数据的反演获得了鸟体的本构模型参数（见图11）。

随着轻小型无人机广泛地应用于个人娱乐和工业领域，引发了公众对无人机碰撞安全的关注，监管部门也在探索实践轻小型无人机的安全管控问题。实验室率先提出了轻小型无人机碰撞被动安全特性的概念，并开展了轻小型无人机碰撞安全问题的相关研究工作（见图12）。无人机被动安全概念与无人机主动安全相对应。主动安全指的是通过电子围栏、主动避障、航路规划、航路等级划分等主动措施避免无人机与空域或地域内的其他物体发生碰撞；而被动安全则是无人机整体固有特性之一，类似于汽车的被动安全，其特性与无人机的结构材料、结构形式、质量分布等有关系，表征了无人机在特定碰撞条件下不导致被撞击物严重损伤的品质。民用轻小型无人机碰撞安全在学科上属于结构冲击动力学的研究领域，与鸟撞等离散源撞击问题等具有类似的技术背景，区别在于无人机具有可设计性，可以通过改变无人机的材料、结构等设计参数来降低被撞物的损伤程度。实验室已经率先开展了轻小型无人机碰撞人体、碰撞通航飞机风挡结构等的研究性试验[49]，取得了阶段性的研究成果。

对于燃油箱结构，水锤效应是一种严重的气-固-液耦合毁伤效应，实验室基于高速空气炮，开展了高速射弹冲击复合材料燃油箱结构的试验研究工作(见图13)，获得了水锤效应对燃油箱结构损伤破坏的影响，基于仿生学概念，提出格栅式抗冲击燃油箱结构，设计了相关模拟件，开展了系列试验，并结合SPH-FEM方法开展了数值研究，评估了充液比例、射弹速度、液面压力以及流体黏性等对格栅式燃油箱结构抗冲击性能的影响规律，发现射弹速度和液面压力对燃油箱结构损伤程度起主要作用，而充液比例和流体黏性影响较小[50]。

西北工业大学、南京航空航天大学等在鸟撞和战斗损伤等离散源撞击动力学方面也开展了多年的研究工作。

离散源撞击动力学领域的研究热点主要有：强非线性条件下的高精度动力学建模与分析方法[51]、结构动态变形/动态响应的高精度测试方法[52，53]、考虑冲击载荷的结构拓扑/几何优化方法[54]、界面不连续对冲击载荷传递与冲击能量耗散的影响、激光聚能武器对材料/结构热-力耦合毁伤模式影响[55-57]等。

5 飞机起降装置冲击动力学研究

飞机起降装置冲击动力学主要研究各种构型起落装置的缓冲性能优化与试验方法、边界突变条件起降装置动响应分析与试验方法、拦阻钩-甲板刚性碰-磨力学行为与试验方法、考虑升力影响的整机受控落震试验方法、起落架非线性摆振稳定性分析与试验方法、减摆器动力学特性预计与试验方法等。具备的试验能力包括：（1）系列起落架落震试验台，满足涵盖0.5～200t级飞机起落架落震试验要求；（2）起落架摆振试验台，配套齐备的扰动施加、响应测量、边界刚度模拟条件；（3）航空轮胎动力学特性试验台；（4）减摆器阻尼特性试验台；（5）起落架突伸/越障动力学特性试验台；（6）全机落震试验系统等。

图11 真鸟与人工鸟撞击过程的动态变形对比Fig.11 Dynamic deformation comparison between real bird and artificial bird

图12 小型无人机与鸟体撞击直升机风挡对比试验Fig.12 The comparative of windshield impact test results between the small UAV and bird

图13 充液箱体高速冲击试验Fig.13 High speed impact test of liquid filled box

图14 磁流变缓冲器框图与控制效果Fig.14 Block diagram and control effect of magnetorheological buffer

传统油气式缓冲器的缓冲效率和油液式减摆器的阻尼性能基本已挖掘到极限，磁流变液作为一种可控的介质，成为了领域内的研究热点。实验室开展了磁流变缓冲器和减摆器的研究工作，一方面开展流道的截面匹配，另一方面在磁场设计和反馈算法方面进行优化，融合了传统小孔阻尼和介质黏性可调的优点，并开展了原理件的能量吸收试验和阻尼特性试验，并进行了实际起落架结构的对比验证试验研究，试验证明磁流变介质的应用可以有效提升缓冲效率并实现阻尼的动态可调[58]，但还需要在控制系统的小型化和机载适应性、颗粒介质的动态密封、考虑温度—磁场—控制的载荷预计等方面进行深入研究。图14为磁流变缓冲器框图与控制效果。

轻小型无人机和通用飞机机体通过大量使用复合材料和新型轻质结构，结构效率有了明显提升，但起落装置依然延续了传统设计理念，一定程度上造成了起落架刚度与机体刚度的匹配难题，导致了一系列起落架摆振动力学问题，考虑机体局部连接刚度和整体机体动力特性的非线性摆振特性预计与试验方法成为研究热点。研究表明起落架与机体连接处局部刚度对起落架摆振稳定性影响比较明显；连接处局部刚度越小,系统所需临界阻尼越大，系统越不稳定，反之亦然；连接处局部刚度越小，系统摆振频率越小,反之亦然。在防摆设计时，应考虑起落架与机体连接处局部刚度与起落架侧向刚度之间的匹配关系[59]。图15为考虑局部刚度的摆振分析模型。

起落架突伸是舰载机起落架特有的动力学问题[60，61]，分为弹射突伸和离舰突伸两类，位移边界突变和载荷边界快速释放诱发的动响应会显著影响飞机的运动姿态，进而对飞机的安全性造成影响，需要与控制进行匹配，实验室提出了基于当量质量等效的前起落架突伸试验方法，设计了弹射突伸释放模拟装置和离舰突伸模拟装置，并建成了起落架突伸试验台。研究表明对于双气腔油气式起落架，起落架突伸性能提升会导致起落架缓冲效率降低和载荷增大。在弹射式舰载机起落架设计时,必须综合考虑突伸性能和缓冲性能[62，63]。图16为突伸状态起落架受力图。

舰载机全机落震试验是获得舰载机着舰动态载荷的直接手段[64]，也是国内外舰载机研制过程中必须要开展的整机性重大试验，美国先后开展了10余型舰载机的全机落震试验研究。实验室提出了整机落震试验的总体技术方案和实施路径，突破了飞机升力等效模拟方法与加载装置设计技术、多机轮高转速同步驱动与控制技术、多姿态协调控制与补偿方法以及多源异构动态数据高精度采集与实时处理技术[65]等难题，成功完成了整机级的全机落震试验（见图17）。后续还需要在升力模拟的影响评估、非对称落震试验方法等方面持续研究[66]。

南京航空航天大学、哈尔滨工程大学等单位在飞机起落架动力学设计、优化与验证方面开展了多年的研究工作[67-70]。

图15 考虑局部刚度的摆振分析模型Fig.15 Shimmy analysis considering local stiffness

图16 突伸状态起落架受力图Fig.16 Landing gear force function under sudden extension

图17 全机落震试验示意图Fig.17 Full-scale aircraft drop test

飞机起降装置动力学领域的研究热点主要有：考虑机体弹性效应的载荷高精度预计方法、极端环境下缓冲器/阻尼器的动力学特性预计与试验技术、航空轮胎高精度动态性建模与试验技术、起降装置的冲击疲劳特性评定技术、考虑舰面运动与甲板特性的滑跑稳定性分析与试验技术，以及新概念起落装置设计与性能评估方法等。

6 总结与展望

6.1 总结

航空结构冲击动力学研究以飞机服役/运营过程中可能遭遇的各种冲击动力学现象为关注重点，涉及诸多力学基础和前沿科学问题，如材料/结构的动态失效和损伤机理、能量的受控耗散、高效高精度数值计算方法、复杂冲击动力学过程的试验模拟等，越来越受到学术界和工程界的广泛关注，国内一批高校和科研院所均在领域内开展了卓有成效的研究工作，取得了丰硕的研究成果。

结构冲击动力学航空科技重点实验室始终专注于该领域，致力于新方法、新技术的研究工作，并充分发挥重点实验室的创新平台作用，紧密围绕学术前沿和工程需求，积极推动研究成果的应用。

实验室已建成了体系化的航空结构冲击动力学试验能力，包括一批填补国内空白的重大试验能力，如全机落震试验能力、整机/机身垂直段坠撞试验能力、可控波形冲击试验能力（大过载100g；大脉宽≤200ms；大载荷≤400t；多样化波形模拟等）、大质量跨度落锤试验台（2～200kg）以及系列化的起落架动力学试验能力（落震试验能力、摆振试验能力、突伸试验能力、拦阻钩碰撞试验能力、减摆器试验能力、轮胎动力学试验能力）等，有力地支撑了型号研制，也为学科的跨越发展奠定了坚实的基础。

在主要技术研究方向上，实验室与国内外相关高校和科研机构组成联合团队，开展了大量的基础研究工作，取得了丰硕的科技成果，特别是在软材料动态力学性能测试、含能材料动态压缩力学特性、连接件/结构动态失效、人工鸟动态力学特性、轮胎等效动力学建模与分析方法、起落架越障动力学建模与响应分析、新概念吸能结构设计与特性表征等方面取得了技术突破，推动了航空结构冲击动力学技术的发展。