鸟撞导致铆钉失效的试验研究

2020-07-29刘海

中国设备工程 2020年15期

刘海

（中国直升机设计研究所，江西景德镇 333001）

随着鸟撞数值仿真模拟方法的成熟，仿真结果与试验结果吻合度越来越好。这使得在抗鸟撞结构设计中，数值模拟方法日益受到重视。仿真结果已用于在研制中指导结构设计和试验验证，这对仿真结果的准确性提出了较高要求。准确可信的数值仿真可以大幅节省研制费用，缩短研制周期，糟糕的数值仿真则可能引起设计反复、试验失败、制造成本提高、设计周期延长等严重后果。因此，鸟撞仿真结果的正确性至关重要。

大多关于鸟撞的仿真研究专注于鸟体参数、材料本构和失效模型、仿真数值方法等，这些工作推动了鸟撞仿真技术的进步。但在仿真中，对连接铆钉的力学特性和失效缺乏关注。谢灿军在仿真中考虑了铆钉的影响。但目前缺乏元组件级试验研究。

本文通过试验证实了铆钉断裂是鸟撞中结构的失效形式之一，在仿真中应当予以考虑。首先，通过鸟撞数值仿真设计试验中所选择的铝合金板厚度、铆钉直径、鸟撞速度等参数，使试验中铆钉会发生破坏。然后，进行试验并对结果进行分析。

1 试验参数的确定

1.1 确定试验参数的方法

为使鸟撞后铆钉失效，需要预估铝合金板的破坏情况和铆钉载荷用以设计试验中所选择的铝合金板厚度、铆钉直径、鸟撞速度等参数。为防止因铝合金板破损而导致铆钉载荷偏小，要求铝合金板不发生破损。通过数值仿真的方法对铝合金板的破坏情况和铆钉载荷进行计算。

为保证仿真模型的正确性，对仿真结果得到的位移和应变数据与试验进行对比。用于与仿真结果对比的试验组为铝合金板未被击穿，铆钉也未发生明显破坏的试验组。将经过试验结果确认的仿真模型用于计算铝合金板的破坏情况和铆钉载荷。

1.2 数值仿真方法

图1为建立的数值仿真模型，主要包括铝合金板、鸟体和连接件。

图1 数值仿真模型

铝合金板及连接过渡段使用壳单元模拟。铝合金材料采用Johnson-Cook模型。Johnson-Cook模型具有材料参数物理意义明确，材料参数相对简单，通用性强等优点，能反映应变硬化、应变率强化效应，适用于描述金属材料在大变形、高应变率下的变形和失效行为。

鸟体模型为半圆头圆柱体，鸟体重量为1.0kg，鸟体长度为184mm，直径为92mm。鸟体使用光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH)法模拟。SPH方法将鸟体简化为流体粒子的集合，不同粒子具有自己的质量、速度和能量，相关的插值点不依赖网格，解决了网格畸变问题，适合处理鸟体大变形的问题，能较好地模拟鸟撞过程中的鸟体破碎、飞溅。

1.3 试验方法

试验件为铝合金薄板，图2所示为试验台架。试验件上安装有应变片，为避免应变片超量程或被撞击失效，应变片位置偏离撞击中心150mm。试验件安放在高度和左右位置可以调节的平台上。试验是用1kg鸟弹撞击试验件中心。试验设备由发射系统（空气炮）、试验靶架系统（试验台和防护屏）、激光测速系统、应变测量系统和高速摄像系统组成。

撞击点为薄板中心，调整试验台高度和位置，使空气炮能够瞄准撞击点。选择称重为1kg的鸟体，包扎为与仿真模型中一样的尺寸。为避免铝合金板破裂，撞击速度为320km/h。