复合材料加筋壁板鸟撞动响应分析

王富生，张钧然，郑涵天，刘 洋，岳珠峰

(西北工业大学 力学与土木建筑学院，西安 710129)

鸟撞航空结构的耦合解法如接触碰撞耦合算法和流固耦合算法等［1－2］将结构模型和鸟体模型联合进行求解，通过接触界面的协调条件将两者连接起来，求解满足协调条件的联立方程得到结构、鸟体的响应以及两者之间的撞击力，与解耦解法［3－4］相比可以对鸟撞的全过程进行模拟，分析软件多采用 LS-DYNA和DYTRAN等。鸟撞问题的难点在于鸟体材料模型和参数的确定，真实的鸟体有骨有血有肉，在撞击过程中是介于流体和固体之间的一种状态，需基于试验结果反演得到其模型和参数。作者在以往的研究中提出采用优化的方法得到鸟体材料模型和参数［5］，但由于没有试验支持，仅仅是方法的研究。国内外如今在鸟撞航空结构的耦合数值模拟时，给出的鸟体材料模型和参数都不确定，作者在此方面研究时也是采用相关研究者在一定条件下通过试验考核后而近似给出的材料模型和参数［5－9］。

作者以前的工作主要采用耦合解法对飞机风挡的鸟撞问题进行系统的分析，近来也对复合材料结构的鸟撞问题开展了一定的研究［10］。鸟撞飞机风挡具有瞬时强值动载荷、柔性撞击、大变形和高应变率的特点［11］，而鸟撞复合材料结构却表现为其它不同的特点。复合材料对冲击载荷非常敏感，高速冲击会导致复合材料结构的穿透性破坏［12］，低速冲击会形成不可见的内部损伤，存在大的潜在危险［13］，其它对于鸟撞复合材料的研究成果也证明了以上结论［2，14－16］。通过对复合材料结构进行加筋处理在一定程度上可以提高结构的静强度和刚度，但加筋处理是否会提高复合材料结构的抗冲击性能目前国内外相关报道较少，本文采用ANSYS/LS-DYNA即开展此方面研究以考核不同布筋情况下复合材料结构的抗鸟撞性能。

1 模型描述

1.1 有限元模型

在ANSYS软件中建立鸟撞有限元模型，鸟体采用两端半球、中间圆柱的实体进行模拟，按照国军标鸟体质量取1.8 kg，选取球体的内半径为0.057 m，中间圆柱长为0.114 m，单元类型采用Solid164。复合材料壁板采用［0/90/0］形式的蜂窝夹芯结构，长和宽均为1 000 mm，复合材料夹芯板厚度为0.007 6 m，上下蒙皮的厚度百分比各为0.105%，中间蜂窝夹层的厚度百分比为0.79%，单元类型采用Shell163。筋条布局共有四种型式，分别在沿板方向均匀布置1个、2个、3个和4个筋条，筋条轴向尺寸为0.02 m×0.01 m，单元类型采用SOLID164。图1给出布置1个和3个筋条时的布局型式。

图1 复合材料加筋壁板筋条布局型式Fig.1 Stiffener layout of composite reinforced panel

鸟撞动响应数值分析采用LS-DANA，算法采用接触碰撞耦合算法。鸟撞方式分为垂直冲击和斜冲击复合材料加筋壁板中心，斜冲击时鸟体轴线与加筋板呈30°的夹角，鸟体速度分为90 m/s、120 m/s和150 m/s三种。复合材料板周围施加固定约束，筋条和板之间采用固连约束。鸟体与复合材料板、复合材料板与筋条、鸟体与筋条之间均定义面面自动接触。图2给出布置1个筋条时鸟撞复合材料加筋壁板的有限元模型。

图2 一个筋条时的鸟撞有限元模型Fig.2 FE model for bird strike using one stiffener

鸟体和复合材料板以及鸟体和筋条之间定义面面自动接触，即定义关键字*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE，加入接触刚度控制关键字*CONTROL_CONTACT和沙漏控制关键字*HOURGLASS。计算时长取0.002 s，为防止计算过程中网格畸变过大导致的计算中止，时间步长设置为1e－6s。

1.2 材料参数

鸟体材料选用塑性动力学模型，此种模型可以适用于中、低速下的鸟撞模拟。表1给出复合材料蜂窝夹芯结构的蒙皮和夹芯材料参数。为了模拟复合材料的破坏过程，采用LS－DYNA中22号*MAT_COMPOSITE_DAMAGE材料模型即Chang-Chang失效准则［17，18］，表2给出该失效准则的具体破坏模式和表达式。筋条材料为铝合金，采用线弹性材料模型，具体参数如表3所示。

表1 蒙皮和夹芯材料参数Tab.1 Material parameters of skin and core

表2 Chang-Chang失效准则Tab.2 Chang-Chang failure criteria

表3 筋条材料参数Tab.3 Material parameters of rib

2 计算结果分析

图3给出复合材料失效单元数和筋条数的关系，减小失效单元数可以减小复合材料的损伤面积。从图中可以看到:在垂直冲击下，鸟速为90 m/s和120 m/s时的变化曲线基本一致，筋条数为1和3可降低失效单元数，说明此种布局的筋条能起到消能的作用;两种情况下当筋条数为2时与没有布筋的失效单元数相同，说明此种情况下复合材料和筋条的相互作用导致筋条不能很好的用于消除失效单元数;两种情况下当筋条数为4时失效单元数比没有布筋的失效单元数还多，说明此种情况下筋条不能有效的用于消除失效单元数，还起反作用;在鸟速为90 m/s时筋条的作用可以使失效单元数降为0，而鸟速为120 m/s筋条数为3可以更有效的降低失效单元数。鸟速为150m/s与其它两种速度下的变化有些不同，总的来看筋条不能起到降低失效单元数的作用，还起反作用;当筋条数为2时与没有布筋的失效单元数相同，而当筋条数为1、3和4时比没有布筋的失效单元数还多，尤其当筋条数为1的情况。

在斜冲击下，当鸟速为90 m/s时不能起到降低失效单元数的作用，没有布筋和筋条数为1、3的失效单元数均为0，而筋条数为2和4的失效单元数更多，尤其当筋条数为4的情况。当鸟速为120m/s时除筋条数为1可以降低失效单元数，其它布筋型式均会提高失效单元数，并且随着筋条数的增多失效单元数越多。当鸟速为120 m/s时筋条数为1和3可以降低失效单元数，尤其当筋条数为3的情况，没有布筋和筋条数为2的失效单元数相同，筋条数为4的失效单元数大大增多。

图4给出鸟体剩余动能和筋条数的关系，减小鸟体剩余动能可以有效保护复合材料结构后的设备安全。从图中可以看到:在垂直冲击下，三种速度下的变化曲线基本一致，筋条数为1和3可以有效降低鸟体剩余动能，且在三种速度和上两种布筋型式下鸟体剩余动能相同，说明筋条数为奇数时筋条数和鸟体速度不会影响剩余动能的大小;对每一鸟体速度，没有布筋和当筋条数为2、4时的鸟体剩余动能相同;随着鸟体速度的增加，没有布筋、筋条数为2和4时的鸟体剩余动能依次增加。

在斜冲击下，当鸟速为90 m/s时筋条数为1和4可以降低鸟体剩余动能，且筋条数为4时降低的幅度较大，但总体上看筋条数的变化对此速度下的鸟体剩余动能影响比较平缓;当鸟速为120 m/s时筋条数由1变化到3的鸟体剩余动能下降明显，而筋条数由3变化到4的鸟体剩余动能不再变化，保持为恒值;当鸟速为150 m/s时筋条数由1变化到2的鸟体剩余动能急剧下降，而筋条数由2变化到4的鸟体剩余动能不再变化，保持为恒值;在筋条数为3和4时鸟速为120 m/s和150 m/s得到相同的鸟体剩余动能。总的来看，斜冲击下筋条数的增加有利于降低更高速的鸟体冲击。

图3 复合材料板失效单元数Fig.3 Damage element number of composite panel

图5给出筋条最大法向位移和筋条数的关系，这在一定程度上可以反映复合材料壁板的变形情况。从图中可以看到:在垂直冲击下，当筋条数为1和3时随着鸟撞速度的增加筋条最大法向位移增加，且在同种条件下筋条数为1时增加的幅度更大一些;当筋条数为2和4时三种鸟撞速度对应的筋条最大法向位移变化趋势与以上两种布筋型式正好相反，随着鸟撞速度的增加筋条最大法向位移逐渐降低，只是当筋条数为2时最大法向位移非常接近，表现为小幅度降低，而当筋条数为4时最大法向位移降低幅度较大;当鸟速为90 m/s时筋条数为1更有利于降低最大法向位移，而对其它两种鸟速筋条数为4更有利于降低最大法向位移。

图4 鸟体剩余动能Fig.4 Residual kinetic energy of bird

在斜冲击下，当筋条数为1和3时随着鸟撞速度的增加筋条最大法向位移增加，且在同种条件下筋条数为1时增加的幅度更大一些;当筋条数为2时，鸟速为90 m/s对应的最大法向位移最小，鸟速为150 m/s对应的值次之，而鸟速为120 m/s对应的值最大;当筋条数为4时，鸟速为120 m/s对应的最大法向位移最小，鸟速为150 m/s对应的值次之，而鸟速为90 m/s对应的值最大;当筋条数为2时三种鸟速均可得到最小的筋条最大法向位移。

图6给出复合材料壁板和筋条在鸟体速度为150 m/s时最大Mises应力和筋条数的关系，这在一定程度上可以反映复合材料加筋壁板的应力波传播情况，图7给出没有布筋和筋条数为2时复合材料板和筋条的变形情况和Mises应力值。从图中可以看到:在垂直冲击下，当筋条数为1和3时复合材料壁板和筋条上的最大Mises应力较大，尤其是筋条上的应力更大，筋条数为1时筋条上的应力大于筋条数为3时的应力，而两种布筋下复合材料壁板上的应力基本相同;当筋条数为2和4时复合材料壁板和筋条上的最大Mises应力较小，尤其是筋条上的应力更小，且两种布筋下筋条上的最大应力相同，复合材料壁板上的最大应力也相同，与没有布筋时复合材料壁板上的最大应力一致。

在斜冲击下，当筋条数由1变化为2时筋条上的最大Mises应力最大且为恒值，而当筋条数由2变化为4时筋条上的最大应力急剧下降，当筋条数为4时达到最小;当筋条数由1变化为3时复合材料壁板上的最大Mises应力逐渐降低，而当筋条数由3变化为4时最大应力又逐渐增加，筋条数为4时复合材料壁板上的应力小于没有加筋时壁板上的应力;当筋条数由1变化到3时筋条上的应力大于复合材料壁板上的应力，当筋条数为4时正好相反。

图5 筋条最大法向位移Fig.5 Maximal normal displacement of stiffener

图6 鸟速为150 m/s时复合材料板和筋条的最大Mises应力值Fig.6 Maximal Mises stress of composite panel and stiffener when bird velocity is 150 m/s

图7 鸟速为150m/s时复合材料板和筋条的变形情况和Mises应力值Fig.7 Defornation and Mises stress of composite panel and stiffener when bird velocity is 150m/s

3 结论

通过以上复合材料加筋壁板的鸟撞分析可以得到以下结论:

(1)垂直冲击和斜冲击对复合材料加筋壁板的鸟撞性能参数如失效单元数、鸟体剩余动能和筋条的变形量，以及壁板和筋条的应力值具有不同的影响规律。

(2)针对具体的复合材料壁板，对于不同的鸟撞速度并非筋条数越多越有利于改善鸟撞性能，应经过细致的分析确定筋条数目。

(3)筋条的加入有可能对某些鸟撞性能起反作用，所以考虑采用筋条进行复合材料结构抗鸟撞分析时应进行合理的设计。

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