鸟撞45#钢平板动响应试验研究

刘 军，李玉龙 ，郭伟国 ，藏曙光

(1.西北工业大学 航空学院航空结构工程系，西安 710072;2.中国建筑材料科学研究院，北京 200125)

鸟撞又称鸟击，指鸟或鸟群与飞机等人造飞行器之间因物理碰撞所造成的事故。高速飞行的飞机与飞鸟相撞会导致飞机结构的严重损坏，严重的鸟撞事件会导致机毁人亡的灾难性事故，特别是现代军用飞机如攻击机朝低空大速度方向发展，飞行时发生鸟撞事件的几率更大。全世界每年发生1万次以上的鸟撞飞机事件，国际航空联合会已把鸟撞危害升级为“A”类航空灾难。因此鸟撞问题已经成为飞机设计中必须考虑的重要内容之一［1－7］。

鸟撞问题属于非常复杂的非线性冲击动力学问题，其特点主要表现在:瞬时冲击载荷、柔性撞击、大变形、材料非线形。传统研究鸟撞问题的方法一般采用经验公式法，目前的理论分析手段不足以解决工程中的鸟撞问题，试验研究和数值模拟研究是解决此类问题的必要手段。在飞机结构抗鸟撞设计中，鸟撞试验是最终也是最有效的检验方法［8－11］，但鸟撞试验周期长、费用高。

随着计算机技术和有限元数值计算理论的迅速发展，数值模拟成为飞机结构抗鸟撞设计的有力工具，可在飞机结构鸟撞试验前对其进行校核－修改设计－校核，直到其顺利通过抗鸟撞试验校核再进行试验，这样大大降低了鸟撞试验费用，且缩短了设计周期。然而，上述飞机结构抗鸟撞校核是在鸟撞数值模型正确的基础上进行的。鸟撞数值模拟从Wilbeck［12］采用的解耦算法发展到今天的高效耦合算法，确实取得了很大的发展，但仍存在一些难以确定的问题，如鸟体的本构模型及失效模式与撞击速度的关系、鸟体与结构之间的耦合作用、撞击载荷随时间的变化规律等等。这些问题的解决需要以大量的鸟撞简单结构试验作为基础。

本文进行了质量为1 kg的鸟体以三种速度40 m/s、80 m/s、120 m/s撞击45#钢平板的地面模拟试验，对鸟撞平板过程中平板的动响应进行了测试，采用高速摄像机记录了鸟撞平板全过程，为鸟体本构模型的确定及鸟撞数值计算方法的验证提供了大量试验数据。

1 试验方法

鸟撞试验原理如图1所示，主要由发射系统、靶板系统和测量系统组成，发射系统主要包括气罐、压缩室及炮管，气罐为前端压力输送设备，体积较大，直接接受气源送来的压缩气体，起到稳定气压的作用;压缩室为压力输送后端设备，装有溢流安全阀及压力表。通过压力表显示值以及鸟体测速装置测量得到的鸟体速度，可以获得对应压力－速度关系并作为一种标定曲线，提供给实验技术人员掌握有关实验参数。在压缩室形成的高压气体是发射鸟体的动力源，室内的气体压力决定了鸟体的速度，鸟体及弹托被预先放在炮管里，待压缩室内气体压力达到预定值并稳定后，开启压力阀，高压气体突然释放，推动鸟体在炮管内滑行直至离开炮口射向固定在实验台架上的试件。实验技术人员接通电路开关，驱动电磁阀快速打开阀门，在极短的时间内产生高压压差，推动鸟体穿过炮管射向实验靶体结构件。

图1 鸟撞实验原理示意图Fig.1 Schematic sketch of bird strike

发射炮管前端端口有一个由四根弹簧控制运动缓冲的挡板装置，其中心孔直径略小于炮口直径，起到鸟体脱壳的作用，如图2(a)所示。靶板系统装置如图2(b)所示，用压框和底框将正方形45#钢平板试件夹持并用螺栓连接，之后将底框套置于实验台架的四根轴承上，并且底框可在轴承上无摩擦自由滑动，最后将四个力传感器布置于低框和实验台架之间。

图2 鸟撞平板试验装置Fig.2 Experimental rig of bird impact with plate

鸟撞45#钢平板实验中，需要采集三种实验数据:位移、应变和支反力。由于鸟撞过程时间极短，仅为3－4 ms，所以必须通过高速设备采集实验数据。

位移测量装置及测量点位置如图3所示，其中D1、D2、D3点等间距且间距为100 mm，D1点偏离平板中心50mm，其原因是平板中心点所贴应变片对位移传感器激光光束有干扰，从而使测量得到的位移数据不真实或不完全，实验中必须保证夹具框的位移相对于平板位移足够小，即实验台架的刚度及实验台架与地面具备良好的连接刚度，必要时可增加位移传感器以检测夹具框的位移。位移测量时应注意将激光位移传感器固定在独立于实验台架的框架上，测量时调整激光光束并使之垂直打在D1、D2和D3点。

图3同时给出了应变片的粘贴及应变测量点位置，共测量平板上等间距分布且间距为70mm的4个点的应变，如图3 中 S1、S2、S3、S4 所示。

支反力传感器及测量点位置如图4所示，四个压力传感器沿平板中心对称固定于实验台架的四角，测量时使底框与传感器接触，测量得到的四个力为鸟体撞击方向的支反力，不是鸟体与平板之间的撞击力。

图3 平板位移及应变测量Fig.3 The measurement of displacement and strain on target plate

图4 撞击支反力测量Fig.4 The measurement of impact reaction force

试验时将激光测速仪安放在炮口和被撞平板试件之间，以测量鸟体在撞击试件前的速度。图5(a)所示高速摄影仪工作时可拍摄3000幅/秒，试验前调整好拍摄角度和画面亮度，可以完整而清晰的记录鸟撞试件前的飞行轨迹、撞击时的姿态、接触试件的时间及撞击后的玻璃的破碎情况。鸟体及弹托如图5(b)所示，试验前半小时内，将家鸡窒息至死或宰杀，秤取重量1.0 kg制作鸟体，用聚乙烯薄膜包装后放置于铝制弹托内，鸟体形状近似于圆柱体的几何外形。

图5 高速摄像装置及鸟弹Fig.5 High-speed camera and the bird projectile

2 试验结果

采用45#钢材料加工成660 mm×660 mm×5 mm的平板试件，进行质量为1.0 kg的鸟体正撞击平板中心试验，由于篇幅所限，本文仅给出垂直撞击试验结果，关于斜撞击试验结果将另文讨论。预定撞击速度为40 m/s、80 m/s、120 m/s。鸟撞试验具有很大随机性，即使撞击条件(鸟体速度和质量、板厚、板材等)完全相同，试验结果也往往存在差异，甚至差异巨大，所以本文对每组撞击试验至少重复做两次，若两次试验结果相近则完成该组试验，若两次试验结果差异巨大，则再进行重复试验，直至做出两组相近的试验结果。表1给出了3组试验记录，即一定撞击速度条件下重复的试验件个数及每次试验的实际撞击速度，可以看到，每组试验的两次撞击速度比较接近并且与预定撞击速度非常接近，说明本试验发炮机构精度较高。

表1 鸟撞平板试验记录Tab.1 Experimental record of bird striking

2.1 位移结果

不同试验件位移测量结果的比较如图6所示，图6(a)给出了D1点位移结果的比较，1#件和2#件撞击速度接近，二者位移结果曲线基本一致，3#件和4#及5#件和6#件的位移结果吻合性很好，对D2和D3进行相同的比较，如图6(b)和图6(c)所示，发现，每组试验的位移重复性均较好，这说明本次鸟撞试验的重复性较好，测量结果的可靠性较高。试验中由于激光光路出现问题导致第3组5#试验件的D3点位移未检测到，所以仅列出第3组6#件的D3点位移。比较3点位移峰值发现，D1点位移峰值在高速、中速、低速时分别约为26 mm、16 mm、6 mm，D2点位移峰值分别约为18 mm、13 mm、7 mm，D3 点位移峰值分别约为 10 mm、6 mm、2 mm，可见，随着撞击速度的降低，D1点位移降低幅度约为10 mm，D2点约为6 mm，D3点约为4 mm，约靠近平板中心，位移降低幅度越大，平板中心点的位移对撞击速度最敏感。考察图6中位移峰值出现的时刻，约在3.5 ms－4.0 ms之间，并且对于同一点位移，撞击速度越高，位移峰值出现的时间越短，撞击速度相同时，越靠近平板中心，位移峰值出现的时间越短。

2.2 应变结果

不同试验件应变测量结果的比较如图7所示，6#试验件的S1和S2测量不完整，后面的数据没有测量到，5#试验件的S1甚至仅仅测量到了在零附近微小波动的很小一段数据，其原因是鸟撞引起的强大冲击应力波将应变片的导线在瞬间拉断或剪断，并且，越靠近平板中心即撞击区域，数据测量越不完整，另外，撞击速度越高，数据测量越不完整。图7应变比较结果表明从S1到S4，同一组试验的两个试验件测量到的结果曲线吻合性很好，这进一步说明了本次鸟撞试验结果良好的重复性，表明测量结果的可靠性较高。

2.3 支反力结果

图6 位移测量结果比较Fig.6 Comparison on results of displacement measurement

图7 应变测量结果比较Fig.7 Comparison on results of strain measurement

图8 支反力测量结果比较Fig.8 Comparison of support reaction force measurement

以上位移和应变测量结果的比较表明本次鸟撞试验的重复性良好，所以，进行不同撞击速度下支反力测量结果的比较时，仅给出了1#件、2#件、3#件的支反力比较，如图8(a)和图8(b)及图8(c)所示，由于四个传感器关于撞击中心对称，所以测量到的4个支反力的峰值大小和其出现的时刻基本相近，之所以出现微小差异的原因是鸟体撞击平板的姿态及鸟体材料的非均匀性会影响到支反力在四个角点的分布，本次试验5#件4个支反力的峰值大小和其出现的时刻一致性最好，3#件次之，1#件最差，可见，撞击速度越高，4个支反力的峰值大小和其出现的时刻一致性越好。试验过程中传感器标定以压力为正拉力为负，3件试验的支反力均表现为压力。由于每个试验件的4个支反力较一致，所以任取F2为研究对象，对不同撞击速度下不同试验件的同一支反力进行比较，如图8(d)所示，首先，同一组试验的两个试验件测量到的结果曲线吻合性很好，表明试验结果良好的重复性和较高的可靠性。其次，撞击速度为36.5 m/s时，F2平均峰值约为10 kN，撞击速度为84.9 m/s时，F2平均峰值约为30 kN，撞击速度为118.5 m/s时，F2平均峰值约为55 kN，可见，撞击支反力随撞击速度呈近似直线规律变化。

2.4 高速摄像结果

通过高速摄像系统，可以清楚地观察到鸟体撞击平板后的变形破碎及平板的变形过程，图9给出了不同撞击速度下时间间隔为1.5 ms的高速摄像结果。2#件的撞击速度为40.2 m/s，t=0 ms显示了鸟体与平板接触的瞬间，撞击位置在平板中心，鸟体轴向与平板表面法线存在夹角，t=4.5 ms前鸟体与平板之间相互作用导致鸟体破碎和平板弯曲，t=6.0 ms后鸟体反弹，撞击结束后鸟体破碎成大块的骨头和肉片。4#件的撞击速度为82.5 m/s，t=0 ms显示了鸟体与平板接触的瞬间，撞击位置在平板中心，鸟体轴向与平板表面法线平行，为垂直正撞击，t=3 ms前鸟体与平板之间相互作用导致鸟体破碎和平板弯曲，之后破碎的鸟体反弹，撞击结束后鸟体破碎成碎小的骨头和肉块。5#件的撞击速度为118.5m/s，撞击过程中鸟体的破碎与平板的变形与4#件类似，撞击结束后鸟体破碎成细碎的骨头和肉沫。上述对高速摄像结果的分析表明，随着撞击速度的增大，鸟体的变形破碎程度不同，撞击速度较低时，鸟体破碎成大块的骨头和肉片，其本构模型应该采用带失效模式的弹塑性模型，撞击速度较高时，鸟体破碎成细碎的骨头和肉沫，表现为流体特征，其本构模型应该采用描述流体行为的状态方程。

图9 不同撞击速度下高速摄像Fig.9 High-speed camera results under different striking velocity

3 结论

采用空气炮装置及动态测试设备对鸟撞45#钢平板进行了试验研究，得到如下研究结论:

(1)鸟撞是发生在毫秒量级的冲击动力学行为，整个撞击过程约为3－4 ms。

(2)每组试验两个试验件位移、应变和支反力结果良好的一致性表明本次鸟撞试验结果的可靠性，结果数据可以用来验证鸟撞数值模拟的合理性。

(3)高速摄像结果表明，撞击速度较低时，鸟体破碎成大块的骨头和肉片，其本构模型应该采用带失效模式的弹塑性模型，撞击速度较高时，鸟体破碎成细碎的骨头和肉沫，表现为流体特征，其本构模型应该采用描述流体行为的状态方程。

本文鸟撞试验结果可为鸟撞数值模拟方法的验证提供重要数据，特别是鸟体本构模型及参数值得进一步研究，将其程序化，嵌入有限元软件中，为飞机结构的鸟撞数值模拟提供技术支持。

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