航空合金板鸟撞实验结果分析及模型建立

王裕琳，苏长青，赵天

（沈阳航空航天大学安全工程学院，辽宁沈阳 110135）

鸟撞是一种因飞鸟与空中高速运动物体（如客机等）相撞而引发的事故。在航空业中，因鸟撞事故所引发的事故其直接和间接经济损失非常之高。目前各个国家都采用一定的措施来避免航空工作中的鸟撞事故，但没有任何一种方式能完全防止此类事故的发生[1-3]。

因此在关于飞机结构的可靠性研究中就要将飞机本身的结构承受能力考虑其中，一方面要保证飞机有着一定的承受能力，即使在发生事故的情况下也能够保持最低的承载能力不致坠毁[4-5]；另一方面要考虑到飞机等空中运载工具在实际情况下的运行成本，这就要求飞机在结构上尽可能地删减其冗余结构，同时增加其容纳能力[6-7]。

考虑到鸟撞事故的特殊性，飞机在结构上的设计要求应满足其强度能保证飞机结构在任意可能遭受到鸟撞的位置，受到飞鸟冲击后仍能保证飞机本体结构完成飞行功能的可靠性。即事故后果在可承受范围内，通过提高飞机结构的抗鸟撞能力，使其遭受事故后飞行器仍保有完成功能的特性。目前，进行鸟撞检验的方式是以通过空气炮撞击的方式检验飞机上结构及材料的可靠性：空气炮以其内部的压缩空气推动“鸟弹”撞击实验材料以模拟高速运行条件下的撞击情况，再由计算机收集相关数据以供分析。结合实验结果判断该种材料或者结构是否满足可靠性要求[8-10]。

本文提出以航空合金板作为实验材料，使用由气罐、炮管等装置组成的发射装置为选取的模拟鸟弹进行加速，并选择红外线测速仪测量冲击速度。选取超动态应变仪作为数据采集工具，收集碰撞瞬间金属应变片因应变而产生电压信号并加以处理。利用Ansys有限元程序对模拟实际情况下的鸟撞事故进行动态分析，同时建立该种材料的力学分析模型，将模拟结果与实验数据比较，得到冲击施加于合金材料板上的应力及应力所带来的应变，通过量化的模型得出应力、应变分布规律。实验结果为建立拟合度较高的分析模型提供了数据支持，通过数据验证的分析也为后续同类型模拟计算提供了实验依据和验证实例。

1 鸟撞实验

本实验将选用圆柱形塑胶鸟弹作为鸟撞实验的撞击物，其直径为10 cm，高度为7 cm，质量为43.7 g，经加速后撞击于航空合金板上，合金板长度H=25 cm，宽度L=15 cm，厚度为1.5 cm。本次实验共使用16 个通道同时连接16 枚应变片，旨在尽可能多地收集撞击数据，以记录实验全过程。在粘贴应变片前，对合金板可能受撞击区域进行预测，考虑到重力对于模拟鸟弹轨迹的影响，在受击区域下半部进行多组数据收集，如图1 所示。

图1 实验材料示意图

气罐、炮管等装置组合成的发射装置如图2（a）所示，发射模拟鸟弹前通过填充空气方式使得气罐内部气压升高，达到设定阈值后停止充气，该阈值与模拟鸟弹预计速度及质量有关。实验开始时，气罐内压缩空气瞬间释放，使模拟鸟弹以特定速度撞击航空合金材料，使用应变仪收集撞击数据，如图2（b）所示。

图2 部分实验设备示意图

2 实验结果及模拟分析

2.1 实验结果

为了获得撞击时的准确数据，将对高速运动下的模拟鸟弹进行速度测量，此处选取红外线测速仪，分别放置于撞击前30 cm 与40 cm 处，为减小误差而进行2 次对塑胶鸟弹速度值的测量，并取其平均值作为鸟弹最终撞击时的速度。塑胶鸟弹通过红外线测速仪时所得到数据分别为122.948 m/s、121.558 m/s，此处取平均值，即撞击瞬间速度为122.253 m/s。

图3给出部分应变仪所采集的结果，由图3 可知，对于同一材料不同位置，在同一实验中所得结果相差较大，并由对比可知，靠近撞击中心区域其产生电压信号理论值应为最高。

图3 应变仪收集部分电压信号数据

对于撞击所产生结果，应尽量选择时间较早的结果。对于事故后果分析，应选择撞击最严重处，即应变片受到应力产生最大电信号之处。综合以上两点因素，最终选择通道14 所测量的结果，放大后如图4 所示。撞击瞬间，通道14 连接应变片因应变所产生电压信号经放大后的最大值为-7 215，单位为mV，可通过该点分析冲击对于合金材料的影响。

图4 通道14 所采集电压信号数据图

应变仪内部采用惠斯通电桥测量电阻变化，在本次实验中，用金属应变片代替可变电阻接入电路，应变片有应变产生时，记应变片电阻变化量为ΔR，输出电压的计算公式如下：

式中：e为电桥输出电压，单位mV；R为可变电阻初始电阻值，单位Ω；U为桥路输入电压，单位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。

对于金属应变片电阻变化及应变相关计算，有以下公式：

式中：K为金属应变片灵敏系数，此处取仪器设计使用值，即K=2；ε为金属应变片产生的应变值，单位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。

以上数据为金属应变片由于受外力而产生形变值，而后对这一数据进一步分析。

本次所采用应变片材料为康铜合金，对于康铜合金应变片，可根据其成分知道其弹性模量约为110 GPa。结合应力、应变及弹性模量，可选择使用公式：

式中：E为金属材料的弹性模量，单位GPa；σ为金属材料受到的应力，单位MPa。

代入具体数值就可以得出金属应变片在合金材料受测面上在撞击时所收到的应力，即：

计算可得，撞击时合金板在撞击中心区域的内测测量面上受到的应力约为793.65 MPa。

2.2 模拟分析

利用Ansys 软件中Workbench 及Ls-dyna 模块对此次撞击作出受力分析。给予圆柱形塑胶鸟弹由测速仪测定的撞击速度，即122.253 m/s 为初速度撞击合金板，以合金板四边作为固定支撑开始进行撞击模拟，所得到模拟结果如图5 所示。

图5 模拟撞击瞬间合金板受力图

由模拟结果图可知，当塑胶鸟弹撞击于合金板时，其受力面上撞击中心点受力应为927.92 MPa，测量面上撞击中心点受力应为804.51 MPa。模拟撞击瞬间鸟弹对板材中心区域内长约9.47 cm、宽约4.21 cm 的区域施加最大应力，应力最大值为793.65 MPa，应力使板材产生最大应变在板材中心区域内长约8.29 cm、宽约3.5 cm 的区域，最大应变值约为1.56 mm。

将实验所得数据793.65 MPa 与模拟所得数据804.51 MPa 进行误差计算可得误差率：

16 个通道中靠近受力点的8 个通道所测出的可用数据如表1 所示。

表1 撞击实验所测得可用数据

根据分析模型可知，13、14、15 号应变片都位于撞击中心区域，但13 号实际所测数值767.33 MPa 与理论模拟值804.51 MPa 相差较大，误差率为：

5 号应变片距离撞击中心较近，模拟结果表明，5 号应变片应处于撞击中心临界区，该区域所受应力理论模拟值为649.96 MPa，实测数值为591.74 MPa，误差率为：Δσ=[（649.96－591.74）/591.74]/100=9.84%。

将表1 内8 个通道所测出可用数据与模拟结果对比可得：以14 号应变片为撞击中心的最大应力区域与模拟结果基本符合，中心点应力误差率为1.37%。板材所受应力随着距离撞击中心点的增加而快速降低，且沿板材较短边方向所受应力衰减速度明显较快，因应力所产生应变分布规律与应力分布情况基本相同。但在撞击中心点上方区域的实验所得数据与模拟结果误差较大，撞击中心边缘区域其模拟值与实测值误差率明显增大，原因为实际撞击时模拟鸟弹撞击角度与撞击模型不同，应力沿板材较短边方向衰减速度过快。综上所述，由本次实验所建立的模拟模型与本次实验所得实际结果在应力、应变误差率在可接受范围内，该模型通过实验数据验证，可信度与拟合度较高。

3 结论

本次实验利用Ansys/Ls-dyna 程序，对某航空合金材料板上的鸟撞实验进行全程动态分析，旨在通过数据拟合及验证建立数据可信度较高的动态分析模型。

由实验结果可知，模拟鸟弹在撞击区域，于撞击瞬间在合金材料受击面施加较大冲击力，最大应力在撞击中心点位置，由模拟鸟弹撞击对合金材料外表面施加927.92 MPa 的力，同时对粘贴于内测面的金属应变片施加约793.65 MPa 的应力，并使合金材料在冲击力作用于的撞击区域周围发生明显形变。而后通过应变片及模拟计算得到在受击中心区域的测量面上所得的数据，发现冲击使得粘贴于合金板内侧金属片产生应变及较高电信号，可见冲击事故对于使用该种合金材料作为外壳的航天器，在其受击中心区域会造成较为明显的影响，但事故持续时间较短，并未造成材料破坏，且冲击影响随着距离受击中心区域的增加而有着显著降低，应力沿合金板材较短边衰减速度明显较快。同时，模拟鸟弹撞击合金板材的角度对于结果也有一定影响，使用该模型进行后续分析时应选取靠近撞击中心区域以减小误差。

本次实验中所建立模型与实验所得结果相差较小，误差率相对较低，目前可认为本模型在分析该种合金材料以及使用该种合金材料的航天器进行鸟撞分析时，可以提供初期的结构分析结果，检测其外表或其结构是否满足相关要求，亦可对后续已有结构改进提供理论数据计算支持，便于设计人员快速得到可靠的分析数据，以用于进一步的实验及运算。