探研飞机碰撞的实验方法

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1简介

没有整合到中的程序通过接口参数也可以与之取得通信，这个插件可以使外部程序获得功能。在这个具有创新性的软件框架中，工程师可以获得整个仿真技术范围内的所有功能，包括CAD集成通用工具、几何修改及建立网格。另外，稳定的参数化建模环境连同设计优化和统计研究的整合工具，也可以使工程师们获得较高的设计效率。ANSYS12.0版本以后在显式动力学领域起到了很大的作用，它的显式动力学产品有3个模块，ANSYSLS-DYNA是一个单独的程序，只能在Workbench下完成前处理工作；ANSYSAUTODYN是集成于Workbench下的显式动力学软件，提供了全面的多解决方案的模块产品，具有先进数值方法的非线性动力学软件；ANSYSExplicitSTR是基于ANSYSAUTODYN产品的拉氏算子部分，是界面第一个本地显示软件，该技术可用于满足固体、流体、气体，及它们之间相互作用的非线性动力学仿真，对已有Workbench环境使用经验的用户，该软件有更好的适用性，所以本文采用这个模块进行动力学分析。

2有限元分析模型

2.1几何模型创建

风挡玻璃为圆弧风挡玻璃，长760mm，后部高度500mm，后部最大跨度为800mm，厚度为16mm，由CATIA软件构建的该机前风挡玻璃几何模型所示。鸟体有限元几何模型取两端带半球帽、中间为圆柱体的实体来模拟，按照国军标要求，选取球体的内半径为0.053m，中间圆弧长0.1418m，定义鸟体密度为900kg/m3左右时，鸟体质量大约为1.8kg，通过CATIA建立的鸟体模型。

2.2几何模型导入

首先，建立IGES格式模型文件，在CATIA中执行“文件”“另存为”命令，弹出保存副本对话框，选择模型格式为IGES，单击OK按钮。然后，打开软件，在输入几何模型的选项中，选择输入模型格式为IGES，并选择打开已建立好的模型即可。不仅可以导入标准格式数据文件中的模型，还提供了与众多主流CAD软件的直接接口，本文采用的导入方法是标准格式数据模型文件导入方法。

2.3单元选取及材料定义

对于风挡玻璃选择Solid单元，该单元可以承受面内的弯曲和剪切作用，而骨架的作用则通过边界条件处理来模拟。根据鸟撞特点，在撞击区附近的位移和应力变化剧烈，而远离区的位移和应力趋于平缓，因此网格划分时在撞击区附近划分密些，其风挡玻璃网格划分。风挡玻璃模型共有793个节点，736个节点壳元，其壳元厚度16mm。根据航空有机玻璃材料特点，本文选用材料模型来模拟。根据鸟撞击的物理过程研究表明：鸟撞击过程可以描述成一个非恒定的流体动力学过程，当鸟以大于50m/s的速度撞击刚性靶体时，因鸟体撞击而产生的巨大应力远远超过鸟体材料的屈服极限，致使鸟体发生流变，因而鸟撞也称之为软体撞击。由击过程中鸟体具有大变形和流变的特征，如何有效地模拟鸟体一直是耦合解法的难题。对于鸟体前可以采用流体元或固体元进行模拟，许多研究表明，采用流体元模拟鸟体发现所获得的靶体位移和应力偏小，因此采用固体元方法模拟比较合理。鸟体模型采用弹塑性模型进行建立，选取鸟体密度为938kg/m3，弹性模量为68.9MPa，泊松比为0.49，对鸟体模型进行网格划分，鸟体模型共有2422个节点，11888个节点壳元。

2.4局部坐标系建立及边界约束确定

建模时选取默认的坐标系，即沿飞机航向为Y轴，指向左机翼为X轴，垂直向为Z轴。在对风挡玻璃的边界进行约束时，由于骨架和侧面支座为风挡主要承力结构，其截面几何弯扭刚度很大，材料弹性模量

约为有机玻璃的20倍，骨架对玻璃有足够的约束刚度，故对与骨架相连的各节点和侧面支座节点赋予固支约束。

2.5破坏准则

由于风挡玻璃整体外形近似于壳体，当受作用时，沿壳体法向会产生较大的变形，所以风挡玻璃是否破坏的依据可根据其应变值ε是否达到失效应变εb，其表达式为ε≥εb。同时也可以考虑最大主应力失效模式，取σmax=σb=78MPa，在高速碰撞条件下，材料动态破坏应力往往大于静态下的破坏应力σb，某些学者曾对普通玻璃进行了应变速率从10-3～103min-1范围内的断裂强度试验测试可看出风挡玻璃的动态强度是静态强度的2倍或更高。由于飞机风挡玻璃的强度分散性较大，故风挡玻璃的强度安全系数取值也应大一些，本文取其安全系数为2，这样仍可视σb=78MPa近似为风挡玻璃的破坏应力，由最大应力准则可知，当单元最大主应力达到失效强度时材料失效。

3计算结果及结论

为撞击3.5ms后风挡玻璃应力云图，为风挡玻璃变形云图。从应力图中可以看出，鸟撞的区域应力最大，应力达到最大值时，外表面处于压应力状态，内表面处于拉应力状态。在飞机风挡研制阶段，曾对某铸造改性丙烯酸酯风挡玻璃（即K8风挡）厚度取16mm时，进行了不同鸟体质量和鸟体速度下的鸟撞实验，得出大量的实验结果。本文通过调整鸟体质量和鸟体速度进行模拟仿真，得出最大应力值与应变值，通过所建立的破坏准则，确定风挡玻璃的计算结果，并将计算结果与该实验结果进行比较。由于所建立的有限元鸟撞模型结构外形参数、材料参数、边界条件以及所建立的破坏准则与实验情况基本一致。所以从表2中可看出，本文计算出的风挡玻璃破坏情况结果与其实验结果是相吻合的，说明本文所采用的软件和理论方法而建立的模型仿真是可行的，对飞机风挡玻璃设计与改型、减少物理实验及降低成本等具有一定参考价值和实际意义。

作者：张乐迪张显余单位：空军航空大学