1 引言

　　鈦合金作是一種重要的輕質(zhì)結構材料，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(fā)動(dòng)機葉片和包容機匣等。

　　飛機機頭前端框和壁板是鳥(niǎo)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(jìn)行保護以避免產(chǎn)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(mǎn)足抗鳥(niǎo)撞要求，又輕質(zhì)減重的機頭壁板結構具有重要意義。本文開(kāi)展了鈦合金平板鳥(niǎo)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(niǎo)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(gè)Φ8mm的螺栓通過(guò)壓板將鈦板安裝在夾具上， 在試驗過(guò)程中測量鈦板應變和位移。

　　2.2 氣炮試驗裝置

　　鳥(niǎo)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。該套系統主要包括鳥(niǎo)炮發(fā)射系統，測速系統，高速攝像系統，動(dòng)態(tài)數據測量系統。

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

　　2.3 試驗結果

　　鳥(niǎo)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(niǎo)撞高速瞬態(tài)的沖擊，使得應變的測量非常困難，試驗中的應變測量點(diǎn)僅2Y，3X，3Y，4X和位移測量點(diǎn)6完整的記錄了數據，其他應變片皆被震斷而沒(méi)有測得數據。

　　3 PAM-CRASH仿真分析模型

　　3.1 鳥(niǎo)體模型

　　數值模擬中為了避免鳥(niǎo)體撞擊產(chǎn)生大變形和散開(kāi)使得計算中止，本文采用PAM-CRASH軟件的SPH（光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)）方法模擬鳥(niǎo)體。SPH是一種無(wú)網(wǎng)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(diǎn)，連續介質(zhì)力學(xué)中守恒方程（如質(zhì)量，能量，動(dòng)量）通過(guò)光滑核函數提供空間位置點(diǎn)的值積分得到。本文采用W4-Bspline核函數。

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

　　M.A.McCARTHY等人對該鳥(niǎo)體模型進(jìn)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，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。

　　4 總結

　　研究組對鈦合金板，鋼板和鋁合金板進(jìn)行了抗鳥(niǎo)撞沖擊試驗，顯示了鈦合金板優(yōu)異的抗鳥(niǎo)撞沖擊性能，為鈦合金蒙皮在飛機機頭抗鳥(niǎo)撞部位的應用積累了試驗數據，建立了信心。同時(shí)，利用PAM-CRASH軟件對撞擊過(guò)程進(jìn)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(jīng)過(guò)試驗驗證的分析方法和模型，為復雜飛機機頭壁板抗鳥(niǎo)撞設計分析和優(yōu)化奠定了堅實(shí)的基礎。