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钛合金平板鸟撞冲击试验与仿真研究

发布日期:2018-12-05  浏览次数:66
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  [摘 要]本文针对Ti-6Al-4V钛合金蒙皮进行抗鸟撞性能试验研究,利用1.8kg鸟以120m/s的速度撞击合金平板,在试验中测量结构的位移和应变响应,试验结果显示钛合金平板具有优异的抗冲击性能。为了指导钛合金蒙皮在飞机结构中抗鸟撞设计的应用,本文基于PAM-CRASH软件SPH鸟体对试验过程进行仿真分析,结果表明分析预测与试验结果相吻合,为后续结构减重优化设计奠定基础。
  [关键词]Ti6Al4V钛合金 鸟撞冲击 PAM-CRASH软件 SPH粒子
  1 引言
  钛合金作是一种重要的轻质结构材料,具有比强度高和抗腐蚀性能优异,因此在航空航天、船舶、兵器等领域的应用非常广泛。目前最获广泛应用的是以Ti-6Al-4V为代表的具有中等强度但综合性能较好的α+β钛合金,常用于飞机上重要接头、机头顶部蒙皮、发动机叶片和包容机匣等。
  飞机机头前端框和壁板是鸟撞事故概率较大的部位,由于机头内部有机组人员和重要的系统设备,故需要对这些重要部位进行保护以避免产生灾难性事故。研究钛合金平板抗冲击的性能,对设计出既满足抗鸟撞要求,又轻质减重的机头壁板结构具有重要意义。本文开展了钛合金平板鸟撞冲击试验和数值仿真研究,积累了试验数据,建立了数值分析模型。
  2 钛合金平板鸟撞冲击试验
  2.1 钛板试验件安装
  本文使用Ti-6Al-4V钛合金平板试验件尺寸为660mm×660mm,厚度为2mm,采用20个Φ8mm的螺栓通过压板将钛板安装在夹具上,如图 1所示, 在试验过程中测量钛板应变和位移,如图 2所示。
  2.2 气炮试验装置
  鸟撞试验在江苏铁锚玻璃股份有限公司飞弹冲击试验室完成。鸟撞试验装置如图 3所示,该套系统主要包括鸟炮发射系统,测速系统,高速摄像系统,动态数据测量系统。
  鸟炮发射系统用于发射鸟弹,使其达到规定的速度,主要由气罐、炮管、附属设备和发射控制装置组成。高压气罐是发射鸟弹的动力源,根据规定的鸟弹速度设定发射的压力,待气罐压力达到预定值并稳定后,发射电磁阀打开,高压气体推动鸟弹在炮管滑行,并将其发射出去。测速系统利用鸟弹触发激光测速系统的两道光幕测得鸟弹的飞行速度。因为鸟撞过程是一个毫秒级的瞬态冲击动力学行为,试验中放置两台高速摄像机对鸟撞过程进行记录。试验件上布置动态应变片和位移传感器,测量试验件上的动态响应。
  2.3 试验结果
  鸟弹以120.78m/s的速度垂直撞击到钛板中心,钛板仅产生变形,如图 12所示。而在其他铝板的试验中,铝板产生很大变形凹坑或破损,对比显示了钛板优异的抗冲击性能。
  由于鸟撞高速瞬态的冲击,使得应变的测量非常困难,试验中的应变测量点仅2Y,3X,3Y,4X和位移测量点6完整的记录了数据,其他应变片皆被震断而没有测得数据,具体见第4节。
  3 PAM-CRASH仿真分析模型
  3.1 鸟体模型
  数值模拟中为了避免鸟体撞击产生大变形和散开使得计算中止,本文采用PAM-CRASH软件的SPH(光滑粒子流体动力学)方法模拟鸟体,见图 4。SPH是一种无网格Lagrange方法,其基础是插值方法,材料被离散成一系列拓扑独立的插值点,连续介质力学中守恒方程(如质量,能量,动量)通过光滑核函数提供空间位置点的值积分得到。本文采用W4-Bspline核函数。
  鸟体的形状采用两端带半球形的圆柱体[1],如图 4所示,鸟体密度约为水的95%,则鸟体模型密度为950kg/m3 ,8lb鸟体的D为134mm。鸟体材料模型采用Murnaghan EOS,表示为:
  M.A.McCARTHY[2]等人对该鸟体模型进行了验证 ,本文采用其获得的参数,B=128Mpa,γ=7.98。
  3.2 结构模型
  钛板采用带失效的Power弹塑性本构,其应变率硬化采用Johnson-Cook模型[3],夹具的槽钢采用弹塑性本构,夹具后端固支。螺栓采用Plink单元模拟,将压板、钛板和夹具连接。完成后的有限元模型如图 5所示。
  4 仿真分析与试验结果对比
  将第3节建立的模型在ESI VPS2009求解器[4]中计算,计算时间为8ms。计算结果显示钛板仅发生了塑性变形,没有破损。图 6显示了在t=2ms时钛板变形达到最大,中心点位移53mm。仿真与试验现象吻合。
  图5显示了6号测量点在仿真和试验下的位移时间历程对比情况,从图中可以看出仿真和分析结果吻合得很好,两者测得的最大变形值为45mm左右,钛板在鸟撞后发生了剧烈的振动回弹,与高速录像观察到的现象一致。
  图8~图 11分别对比了2Y,3X,3Y和4X应变测量点仿真和试验的对比情况,从图中可以看出中心点2Y的应变仿真与试验吻合很好,最大应变值在13500微应变左右。其余四个应变测量点由于靠近夹具边界,仿真和试验的测量值相差略大,但总体趋势吻合较好,对于高速动态应变测量,两者对比结果比较满意。
  5 总结
  研究组对钛合金板,钢板和铝合金板进行了抗鸟撞冲击试验,显示了钛合金板优异的抗鸟撞冲击性能,为钛合金蒙皮在飞机机头抗鸟撞部位的应用积累了试验数据,建立了信心。同时,利用PAM-CRASH软件对撞击过程进行了仿真分析研究,结果表明仿真分析结果与试验吻合很好,因此利用该经过试验验证的分析方法和模型,为复杂飞机机头壁板抗鸟撞设计分析和优化奠定了坚实的基础。
  参考文献
  [1]吴志斌,宋春艳,许志香,飞机尾翼鸟撞试验与分析模型验证,振动工程学报,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.
  作者简介
  吴志斌(1984- ),男,工程师,主要研究方向:结构动力学,复合材料结构等。

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