民用飞机翼面前缘的抗鸟撞结构设计思路探讨(3)

Ⅰ类撞击时，由于相对速度较低，鸟体与结构接触时间长，鸟体携带的动能和冲量一般为结构所接受，结构阻尼效果较为显著。即使蒙皮凹陷或穿透、撕裂，由于结构的传载通路完整，能够进行能量的分流。

Ⅱ类撞击时，鸟撞问题实质是流体和结构耦合动力响应问题，载荷与变形是相互影响且不断变化的。鸟撞行为作用时间较短（一般认为在5～8 ms之间），结构处于大变形非线性状态，材料处于非线性弹塑性状态且处于动平衡状态，破坏行为更多认为是瞬间撞击，表现为高度非线性的冲击动力学现象。鸟体携带的动能和冲量巨大，结构的传载性能无法瞬时响应，此时更多的依赖于材料的强度响应。

因此，鸟撞过程的研究多针对Ⅱ类撞击进行。

3 结构响应

蒙皮作为鸟撞的直接接触点，吸收鸟撞能量并抛飞鸟体，是结构抗鸟撞的主要构件；前缘内部弦向结构件主要用于维持前缘剖面形状及提高结构的抗失稳能力，由于弦向剖面积小，对结构抗鸟撞能力的贡献不大。因此设计重点应为前缘蒙皮的材料选用及厚度选择。

当Ⅱ类撞击发生时，冲击速度快，鸟体携带的动能和冲量巨大，结构的传载性能无法瞬时响应，此时更多的依赖于材料的强度响应。理论上，材料强度越高，塑性越好，受破坏程度越小，但材料的高强度带来的材料高比刚度导致了材料的脆性提高，韧性降低，结果呈现结构快速撕裂，受冲击破坏程度反而有所升高；低强度材料鸟撞结果与高强度材料鸟撞结果基本相反。当前缘结构的材料内力无法将能量抵消完，则结构彻底被撕裂，此时鸟体继续撞击盒段前梁，从而影响主结构安全。

Ⅱ类撞击发生时，材料在短时间内承受高速冲击产生的动态载荷，材料性能为动态性能且呈非线性变化，应变水平在102～104/s左右。材料的动态性能受应变率影响很大，高应变率会提高材料的屈服应力，加载速率越高，材料的屈服应力值也越高，材料在高应变率下产生的强化效应对延长鸟体在结构上的滞留时间、消耗鸟撞能量等有极大改观，因此,材料选用应围绕具有较好强化效应的材料进行。

出于研发成本考虑，各飞机公司在型号预研阶段多采取能量法进行结构参数的预估。能量法是从能量的角度考虑鸟体撞击时穿透蒙皮或腹板需要多少动能，即鸟体的动能是否大于穿透蒙皮或穿透蒙皮和腹板所需动能。动能不但与鸟体质量有关，同时也与鸟体与机体的相对速度有关。用不同牌号铝合金制造的蒙皮，穿透速度相差不大。

有关资料对各大飞机制造商利用穿透速度在型号设计初级阶段的蒙皮厚度预估方法做了详细的论述，分析发现各大飞机制造商的预估方法与实际试验测得数据相差7%左右，对于鸟撞穿透速度的工程计算而言，精度满足要求。但应注意的是：各预估方法仅针对蒙皮不被穿透，具体设计应在计算结果的基础上，对适用的鸟撞失效判据进行分析，避免不必要的重量损失。

4 结语

文章来源：《地学前缘》 网址: http://www.dxqyzz.cn/qikandaodu/2021/0302/426.html