[摘 要]本文針對Ti-6Al-4V鈦合金蒙皮進行抗鳥撞性能試驗研究，利用1.8kg鳥以120m/s的速度撞擊鈦合金平板，在試驗中測量結構的位移和應變響應，試驗結果顯示鈦合金平板具有優異的抗沖擊性能。為了指導鈦合金蒙皮在飛機結構中抗鳥撞設計的應用，本文基于PAM-CRASH軟件SPH鳥體對試驗過程進行仿真分析，結果表明分析預測與試驗結果相吻合，為后續結構減重優化設計奠定基礎。

　　[關鍵詞]Ti6Al4V鈦合金 鳥撞沖擊 PAM-CRASH軟件 SPH粒子

　　鈦合金作是一種重要的輕質結構材料，具有比強度高和抗腐蝕性能優異，因此在航空航天、船舶、兵器等領域的應用非常廣泛。目前最獲廣泛應用的是以Ti-6Al-4V為代表的具有中等強度但綜合性能較好的α+β鈦合金，常用于飛機上重要接頭、機頭頂部蒙皮、發動機葉片和包容機匣等。

　　飛機機頭前端框和壁板是鳥撞事故概率較大的部位，由于機頭內部有機組人員和重要的系統設備，故需要對這些重要部位進行保護以避免產生災難性事故。研究鈦合金平板抗沖擊的性能，對設計出既滿足抗鳥撞要求，又輕質減重的機頭壁板結構具有重要意義。本文開展了鈦合金平板鳥撞沖擊試驗和數值仿真研究，積累了試驗數據，建立了數值分析模型。

　　2 鈦合金平板鳥撞沖擊試驗

　　2.1 鈦板試驗件安裝

　　本文使用Ti-6Al-4V鈦合金平板試驗件尺寸為660mm×660mm，厚度為2mm，采用20個Φ8mm的螺栓通過壓板將鈦板安裝在夾具上，如圖 1所示， 在試驗過程中測量鈦板應變和位移，如圖 2所示。

　　2.2 氣炮試驗裝置

　　鳥撞試驗在江蘇鐵錨玻璃股份有限公司飛彈沖擊試驗室完成。鳥撞試驗裝置如圖 3所示，該套系統主要包括鳥炮發射系統，測速系統，高速攝像系統，動態數據測量系統。

　　鳥炮發射系統用于發射鳥彈，使其達到規定的速度，主要由氣罐、炮管、附屬設備和發射控制裝置組成。高壓氣罐是發射鳥彈的動力源，根據規定的鳥彈速度設定發射的壓力，待氣罐壓力達到預定值并穩定后，發射電磁閥打開，高壓氣體推動鳥彈在炮管滑行，并將其發射出去。測速系統利用鳥彈觸發激光測速系統的兩道光幕測得鳥彈的飛行速度。因為鳥撞過程是一個毫秒級的瞬態沖擊動力學行為，試驗中放置兩臺高速攝像機對鳥撞過程進行記錄。試驗件上布置動態應變片和位移傳感器，測量試驗件上的動態響應。

　　2.3 試驗結果

　　鳥彈以120.78m/s的速度垂直撞擊到鈦板中心，鈦板僅產生變形，如圖 12所示。而在其他鋁板的試驗中，鋁板產生很大變形凹坑或破損，對比顯示了鈦板優異的抗沖擊性能。

　　由于鳥撞高速瞬態的沖擊，使得應變的測量非常困難，試驗中的應變測量點僅2Y，3X，3Y，4X和位移測量點6完整的記錄了數據，其他應變片皆被震斷而沒有測得數據，具體見第4節。

　　3.1 鳥體模型

　　數值模擬中為了避免鳥體撞擊產生大變形和散開使得計算中止，本文采用PAM-CRASH軟件的SPH（光滑粒子流體動力學）方法模擬鳥體，見圖 4。SPH是一種無網格Lagrange方法，其基礎是插值方法，材料被離散成一系列拓撲獨立的插值點，連續介質力學中守恒方程（如質量，能量，動量）通過光滑核函數提供空間位置點的值積分得到。本文采用W4-Bspline核函數。

　　鳥體的形狀采用兩端帶半球形的圓柱體[1]，如圖 4所示，鳥體密度約為水的95%，則鳥體模型密度為950kg/m3 ，8lb鳥體的D為134mm。鳥體材料模型采用Murnaghan EOS，表示為：

　　M.A.McCARTHY[2]等人對該鳥體模型進行了驗證 ，本文采用其獲得的參數，B=128Mpa，γ=7.98。

　　3.2 結構模型

　　鈦板采用帶失效的Power彈塑性本構，其應變率硬化采用Johnson-Cook模型[3]，夾具的槽鋼采用彈塑性本構，夾具后端固支。螺栓采用Plink單元模擬，將壓板、鈦板和夾具連接。完成后的有限元模型如圖 5所示。

　　4 仿真分析與試驗結果對比

　　將第3節建立的模型在ESI VPS2009求解器[4]中計算，計算時間為8ms。計算結果顯示鈦板僅發生了塑性變形，沒有破損。圖 6顯示了在t=2ms時鈦板變形達到最大，中心點位移53mm。仿真與試驗現象吻合。

　　圖5顯示了6號測量點在仿真和試驗下的位移時間歷程對比情況，從圖中可以看出仿真和分析結果吻合得很好，兩者測得的最大變形值為45mm左右，鈦板在鳥撞后發生了劇烈的振動回彈，與高速錄像觀察到的現象一致。

　　圖8～圖 11分別對比了2Y，3X，3Y和4X應變測量點仿真和試驗的對比情況，從圖中可以看出中心點2Y的應變仿真與試驗吻合很好，最大應變值在13500微應變左右。其余四個應變測量點由于靠近夾具邊界，仿真和試驗的測量值相差略大，但總體趨勢吻合較好，對于高速動態應變測量，兩者對比結果比較滿意。

　　研究組對鈦合金板，鋼板和鋁合金板進行了抗鳥撞沖擊試驗，顯示了鈦合金板優異的抗鳥撞沖擊性能，為鈦合金蒙皮在飛機機頭抗鳥撞部位的應用積累了試驗數據，建立了信心。同時，利用PAM-CRASH軟件對撞擊過程進行了仿真分析研究，結果表明仿真分析結果與試驗吻合很好，因此利用該經過試驗驗證的分析方法和模型，為復雜飛機機頭壁板抗鳥撞設計分析和優化奠定了堅實的基礎。

　　參考文獻

　　[1]吳志斌，宋春艷，許志香，飛機尾翼鳥撞試驗與分析模型驗證，振動工程學報，2011年10月增刊。

　　[2]M.A.McCARTHY. Modeling of Bird Strike on an Aircraft Wing Leading Edge Made from Fibre metal Laminates ?CPart 2： Modeling of Impact with SPH Bird Model. Applied Composite Materials. 11：317-340，2004.

　　[3]Donald R. Lesuer，EXPERIMENTAL INVESTIGATIONS OF MATERIAL MODELS 5. September 2000 FOR Ti-6Al-4V TITANIUM AND 2024-T3 ALUMINUM，DOT/FAA/AR-00/25。

　　[4]VIRTUAL PERFORMANCE SOLUTION 2009 SOLVER NOTES MANUAL.

　　作者簡介

　　吳志斌（1984- ），男，工程師，主要研究方向：結構動力學，復合材料結構等。