Glare层合板的抗鸟撞分析

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1、第40卷第6期2010年11月航空计算技术AeronauticalComputingTechniqueV01．40No．6NOV．2010Glare层合板的抗鸟撞分析陈卫锋，万小朋，赵美英(西北工业大学航空学院，陕西西安710072)摘要：飞机结构的抗鸟撞性能对于飞行安全有着直接的联系，鸟撞事故一旦发生，对飞机结构、设备的破坏作用往往极为严重。针对Glare层合板材料进行了抗鸟撞分析。利用有限元方法，采用显式碰撞动力分析软件PAM．CRASH。对四种不同纤维铺层角的Glare层合平板进行了抗鸟撞仿真分析，比较选取了最优的纤维铺层角；设计了全尺

2、寸的机翼前缘模型，对4／3和3／2两种构型的Glare层合蒙皮进行了抗乌撞仿真。结果表明4／3构型的Glare层合蒙皮的抗鸟撞效果最好，该构型将被进一步应用于机翼抗鸟撞试验件的设计中。关键词：鸟撞；Glare层舍板；有限元中图分类号：V224文献标识码：A文章编号：1671．654X(2010)06．0099．05引言鸟撞是指飞行器在天空中与鸟或鸟群之间相撞所造成的事故。随着航空技术的发展，飞机的速度不断提高，其与飞鸟发生碰撞后常造成极大的破坏，严重时会造成飞机的坠毁，因此，鸟撞是威胁航空安全的重要因素之一。国内外的学者对飞机机翼结构抗鸟撞进

3、行了大量研究，提出了一些提高机翼抗鸟撞性能的方法。近年来，复合材料在飞机上的用量日益增多，但是单纯的复合材料的抗冲击性能较差。而国外从上世纪80年代起开始研制的FMLS(FibreMetalLaminates)，即纤维金属层合板，其综合性能较为优良，Glare层合板就是其中的一种，国外学者对此进行了一定的研究，文献[1]对Glare层板的材料模型进行了研究，文献[2]主要对两种Glare层板的铺层形式进行了初步的抗鸟撞仿真对比。但国内针对Glare机翼结构抗鸟撞的研究还较欠缺，本文开展了两点工作：一、建立平板模型进行抗鸟撞仿真，比较选取了Gl

4、are层板中碳纤维的最佳铺层角度。二、建立全尺寸4肋3盒段机翼前缘模型，分别对Glare蒙皮的3／2和4／3两种铺层构型进行了抗鸟撞仿真，选取最佳的铺层构型。1弹性动力学基本方程鸟撞机翼前缘是典型的接触一碰撞大变形动力学问题。整个撞击过程的撞击载荷随时间和结构的变形而变化，导致载荷与结构耦合；撞击时间很短，属于毫秒量级的冲击动力学行为；因此鸟撞机翼前缘是一个非常复杂的非线性过程。但是，在冲击过程中，系统必须遵循质量守恒、能量守恒和动量守恒以及初始边界条件。根据连续介质力学原理，在鸟与被撞击物体组成的系统中Lagrange方法描述的任意时刻两物

5、体的守恒方程为p(x，t)J(X，t)=po(X)(1)盯#。，+pbi=p吐f(2)pw”‘=矿iDii(3)式中：x表示材料坐标，t为时间参量；p为当前质量密度，P。为初始质量密度，盯。i及Dii分别为柯西应力张量和应变率张量，bi是单位质量体积力，ui是质点位移，加细‘为内能变化率，．，为体积变化律。问题的Galerkin法弱形式平衡方程为：J(JDnf一6r口J一西)Sutdy+J(矿；一盯i)巾uzd

6、s+’口’sOJ(％nf—ri)6uidS=0(4)Js2在采用自然坐标系(亭，叩，f)时，单元内任意点的位移可用节点位移值插值给出

7、：mfl‘；=∑Nj(e，'7，f)《(￡)(5)t2J式中M为形函数。用矩阵表示时，有下式：口(f，’7，f，t)=Nu。(6)式中Ⅱ。为位移矢量阵，Ⅳ为形函数矩阵。收稿日期：2010—07．19修订日期：2010-09．19作者简介：陈卫锋(1985)，男，陕西西安人，硕士研究生，研究方向为飞行器结构设计。·100·航空计算技术第40卷第6期将(3)式代入(1)式，经单元计算并组集．可得：M碧(t)=H(x，t)一F(x，X，f)(7)其中总质量矩阵M=∑V’，日为总载荷矢量矩阵，包括体力和面力的m贡[p献N。NFdV为单元应力场的等效节

8、点力矢量矩阵，即：日2荟‰J脚y+善。fNl12mJ7列s(8)m=’mJm=4F=∑，J曰7trdV(9)对于物理非线性问题，计算(9)式中的F时，其中应力增量o-At根据所选材料本构关系由应变率吾求出。2Glare层合板介绍Glare层板由0．3—0．5mm的铝合金薄板与预浸玻璃纤维带(0．2—0．3mm)交替层压而成(见图1)，我国称之为超混杂复合材料。层板有各种不同的组合。如铝合金种类、金属板厚度、铺层数量、纤维种类和方向、有无后拉伸等。薄图1GLARE层板由于玻璃纤维的热膨胀系数为4．8×10“／℃，较芳纶更接近铝的热膨胀系数23．

9、8x10～／oC，所以固化后玻璃纤维结构的残余应力比芳纶低，加之玻璃纤维有较高的破坏应变。能允许裂纹尖端的铝合金层塑性变形，这不仅使Glare层板具有优良的抗拉一压