民机结构抗鸟撞设计分析研究

王 意

上海飞机设计研究院结构设计研究部

飞机结构抗鸟撞问题的研究一直是国内外飞机设计研究中的热点与难点。随着计算机技术和有限元分析理论的发展，在工程实际中，逐渐形成了以有限元数值模拟与鸟撞试验相结合的方法来进行抗鸟撞设计研究，而飞机结构鸟撞试验是最终、也是最有效的检测和适航验证方法，本文通过某型支线飞机机头结构的鸟撞研发试验经历表明：在飞机设计的初始阶段就考虑到鸟撞的影响，并对可能的抗鸟撞薄弱部位进行针对性的设计考虑，那么就能极大地提高飞机整体的抗鸟撞性能。

随着生态环境的不断改善，飞机遭受鸟撞的事件逐年增加，例如我国华东地区民用飞机2004年4-12月（9 个月）共发生24 起鸟撞事故，2005年1-8月（8 个月）共发生47 起鸟撞事故，增加一倍多，而据FAA 估计，统计到的鸟撞事故仅仅占民机鸟撞事故的20%。在鸟撞击飞机的事故中，由于风挡、座舱盖、雷达罩等部件位于机头处，迎风面积大，它们与鸟相撞的机率相应也较大，据FAA 从1990年到2006年的统计资料表明，客机机头结构遭受鸟撞的概率为整个飞机遭受鸟撞事故的44%。

众所周知，结构鸟撞试验是最终、也是最有效的检测和适航验证方法，但是鸟撞试验因其试验费用之高，试验周期之长，以及试验中的一些不确定事件的发生，使其对结构设计的指导作用大大下降。为了使结构抗鸟撞设计能真正融入到结构设计体系中，加快设计-分析-设计这一反复迭代研制过程，同时也为了降低型号研制费用，采用高性能有限元计算软件对飞机结构进行抗鸟撞仿真与设计已经成为飞机设计领域的一个重点方向。

本文将通过某型支线客机鸟撞试验的经历，结合Pam-Crash 冲击动力学有限元软件，利用有限元法对机头结构在试验中出现的损坏原因进行了分析，并在分析的基础上对飞机的相应结构进行了改进，从而保障鸟撞试验顺利完成。

鸟撞部位结构

一般来说，机头的主体结构采用框、长桁、蒙皮组成的典型的半硬壳式全金属结构。为了安装机鼻部位的雷达加之气动修形的需要，机头外形通常是处于收缩段外形曲率变化较大，驾驶舱以前的多为无长桁的密框结构。

对于处于不同位置的框，则根据功能的需要，采用了不同类型的结构型式，主要为钣弯件构成的组合框，少数为钣弯件和内外缘型材组合而成的加强框。所有这些框，用来维持机身的外形，对纵向构件提供支持，提高纵向构件的承载能力，与蒙皮、长桁一起承受和传递来自机身内部的载荷，如气密载荷，并将框所承受的局部载荷传递给壁板，是机身最基本的横向承力构件。

适航对机头结构抗鸟撞性能的要求

我国参照外国相关适航管理条例制定了的CCAR-25（《中国民用航空规章》第25 部），对民航运输类飞机的结构抗鸟撞性能指标作简要阐述。

CCAR-25.571——飞机结构损伤容限（离散源）评定

（e）损伤容限（离散源）评定在下列任一原因很可能造成结构损伤的情况下，飞机必须能够成功地完成该次飞行。

（1）在最高至2450m（8000ft）的各种高度上，在很可能有的各种运行速度下，受到1.8kg（4lb）重鸟的撞击；

损伤后的结构必须能承受飞行中可合理预期出现的静载荷（作为极限载荷考虑），不需要考虑对这些静载荷的动态影响。

CCAR-25.775——风挡和窗户

（a）内层玻璃必须用非碎裂性材料制成。

（b）位于正常执行其职责的驾驶员正前方的风挡玻璃及其支撑结构，必须能承受住1.8kg（4lb）的飞鸟撞击而不被击穿，此时飞机的速度（沿飞机飞行航迹相对于飞鸟）等于按CCAR-25.335（a）选定的海平面Vc 值。

从以上适航条款可以看出，适航当局对于机头结构提出了相应的抗鸟撞要求：1.8kg（4lb）的飞鸟、撞击速度为按CCAR-25.335（a）选定的海平面Vc 值。

通常，为了向适航当局证明某型支线客机的抗鸟撞性能，地面鸟撞模拟试验是最直接、最有效的结构抗鸟撞性能检验和适航验证手段，也是通过适航审查，取得适航证的必须工作。首先在制造过程中必须对试验件进行制造符合性检查，即制造的试验件必须符合图纸，不允许用好料或厚料代替，也不允许用次料或薄料代替。试验单位必须是经过有关当局批准的，试验件的安装必须与实际情况相符，试验用的设备和各种测量仪器必须是专门厂家生产的，并在有效期内。自制设备或仪器必须经过专家会议鉴定后方能投入使用。只有具备上述条件做的试验才是有效的。

图1 蒙皮上钉孔基本完整、对接带板上前两排为剪断

图2 蒙皮破坏瞬间

图3 更进后的侧壁结构

鸟撞部位损伤分析及改进

通常在正式的适航试验之前，都会进行多次的鸟撞研发试验，以提前发现结构上的抗鸟撞薄弱位置，并进行针对性的结构改进，下面将从本人参与的试验中对机头结构有典型意义的两次试验为例，对机头结构的抗鸟撞分析及设计改进进行相应的探讨。

座舱盖上壁板结构鸟撞试验

座舱盖上壁板结构主要由前、后两块蒙皮及纵、横梁组成，中间纵梁为机加件，其他纵、横梁为钣弯件，有对接带板进行连接。在初次鸟撞试验过程中，出现前后蒙皮对接处铆钉剪切失效的现象，对鸟撞结果有相当的不利影响，详见图1。

蒙皮采用的铝合金具有较好的延展性，通过现场观测，在撞击点处凹陷较大，但蒙皮未见明显撕裂痕迹，铆钉孔基本上完好，对接处铆钉剪断，说明蒙皮在变形过程中沿厚度方向上剪切力较大，铆钉先于蒙皮失效。根据以上分析结果，同时考虑上壁板的紧固件安装方便，挑选工厂常用的埋头高锁螺栓，再次进行鸟撞研发试验，达到了预期的效果，上壁板有明显变形，紧固件没有剪断，结构未出现大的破坏。

座舱盖侧壁板结构鸟撞试验

某支线客机侧壁结构为钣弯件组合成的框与蒙皮构成的无长桁密框结构，并由于有系统安装需要在侧壁开出了一些不等的开口。在研发试验时，侧壁与上壁板表现出了正好相反的试验结构，铆钉尚未剪断，但蒙皮在铆钉孔处撕裂成，见图2。

通过Pam-crash 分析可以发现，破损最先发生在被铆钉孔削弱的蒙皮处，随着撞击的进行，裂纹逐渐扩展。通过分析可以发现，撞击点处的框高、框缘厚度、刚度明显小于周围框，也就是说，鸟体在接触到试验件之后，鸟体弹着点的试验件区域刚好处于刚度由弱至强的区域，在撞击点形成一个很深的凹陷。受到冲击载荷之后蒙皮的瞬时变形量很大，局部区域的变形量超过材料的断裂延伸率，同时受在被铆钉孔削弱的影响，在蒙皮处受此冲击产生一条裂纹，裂纹扩展最终形成一个开口。

基于该假设，如果加强撞击点处框的刚度，使其与周围框的刚度、变形相协调，那么蒙皮变形量将减小，被铆钉孔削弱的蒙皮不易开裂，整个座舱盖侧壁板结构就不会产生图2 形式的破坏。在此分析基础上，对撞击点处的框进行加强，再次进行鸟撞研发试验时，达到了预期的效果，见图3。

结语

在某支线客机鸟撞研发试验过程中，通过多次试验结果，证明1.8mm 以上的蒙皮、小间距无长桁密框的机头结构完全能承受住151±3m/s、1.8Kg 的飞鸟冲击，但是环向蒙皮的连接强度、环向蒙皮支撑结构的刚度则是关键。在主体结构确定的情况下，细节设计因素是设计人员需要关注的重点，在飞机结构抗鸟撞设计时，尽量避免刚度差别过大，保证整个结构内部刚度变化的平滑程度，确保整体变形的匹配协调性。

通过某支线客机鸟撞研发试验的经验来说：如果在飞机设计的初始阶段就考虑到鸟撞的影响，并对可能的抗鸟撞薄弱部位进行针对性的设计考虑，那么就能以较小的代价极大地提高飞机整体的抗鸟撞性能。