1 引言

　　鈦合金作是一種重要的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，具有比強度高和抗腐蝕性能優(yōu)異，因此在航空航天、船舶、兵器等領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛。目前最獲廣泛應(yīng)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(fā)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(nèi)部有機組人員和重要的系統(tǒng)設(shè)備，故需要對這些重要部位進行保護以避免產(chǎn)生災(zāi)難性事故。研究鈦合金平板抗沖擊的性能，對設(shè)計出既滿足抗鳥撞要求，又輕質(zhì)減重的機頭壁板結(jié)構(gòu)具有重要意義。本文開展了鈦合金平板鳥撞沖擊試驗和數(shù)值仿真研究，積累了試驗數(shù)據(jù)，建立了數(shù)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， 在試驗過程中測量鈦板應(yīng)變和位移。

　　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。該套系統(tǒng)主要包括鳥炮發(fā)射系統(tǒng)，測速系統(tǒng)，高速攝像系統(tǒng)，動態(tài)數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)。

　　鳥炮發(fā)射系統(tǒng)用于發(fā)射鳥彈，使其達到規(guī)定的速度，主要由氣罐、炮管、附屬設(shè)備和發(fā)射控制裝置組成。高壓氣罐是發(fā)射鳥彈的動力源，根據(jù)規(guī)定的鳥彈速度設(shè)定發(fā)射的壓力，待氣罐壓力達到預(yù)定值并穩(wěn)定后，發(fā)射電磁閥打開，高壓氣體推動鳥彈在炮管滑行，并將其發(fā)射出去。測速系統(tǒng)利用鳥彈觸發(fā)激光測速系統(tǒng)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(tài)沖擊動力學(xué)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(tài)應(yīng)變片和位移傳感器，測量試驗件上的動態(tài)響應(yīng)。

　　2.3 試驗結(jié)果

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

　　由于鳥撞高速瞬態(tài)的沖擊，使得應(yīng)變的測量非常困難，試驗中的應(yīng)變測量點僅2Y，3X，3Y，4X和位移測量點6完整的記錄了數(shù)據(jù)，其他應(yīng)變片皆被震斷而沒有測得數(shù)據(jù)。

　　3 PAM-CRASH仿真分析模型

　　3.1 鳥體模型

　　數(shù)值模擬中為了避免鳥體撞擊產(chǎn)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(xué)）方法模擬鳥體。SPH是一種無網(wǎng)格Lagrange方法，其基礎(chǔ)是插值方法，材料被離散成一系列拓撲獨立的插值點，連續(xù)介質(zhì)力學(xué)中守恒方程（如質(zhì)量，能量，動量）通過光滑核函數(shù)提供空間位置點的值積分得到。本文采用W4-Bspline核函數(shù)。

　　鳥體的形狀采用兩端帶半球形的圓柱體，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等人對該鳥體模型進行了驗證 ，本文采用其獲得的參數(shù)，B=128Mpa，γ=7.98。

　　3.2 結(jié)構(gòu)模型

　　鈦板采用帶失效的Power彈塑性本構(gòu)，其應(yīng)變率硬化采用Johnson-Cook模型，夾具的槽鋼采用彈塑性本構(gòu)，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。

　　4 總結(jié)

　　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(yōu)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(yīng)用積累了試驗數(shù)據(jù)，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(jié)果表明仿真分析結(jié)果與試驗吻合很好，因此利用該經(jīng)過試驗驗證的分析方法和模型，為復(fù)雜飛機機頭壁板抗鳥撞設(shè)計分析和優(yōu)化奠定了堅實的基礎(chǔ)。