鸟撞45#钢平板动响应试验研究

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Tests for bird striking on a plate made of 45#steelL/U Jun ，LI Yu.1ong ，GUO Wei.guo ，ZANG Shu.guang(1.Colege of Aeronautics，Northwestern Polytechnical University，Xian 710072，China；2.China Architecture Materials Academy，Beijing 100024，China)Abstract： Tests for bird striking on a plate made of 45#steel under three kinds O±different velocities were studiedin detail by using dynamic data acquisition systems.The displacement-time history curves of three points and strain-timehistory curves of four points on the 45#steel plate were measured，and also，the time history curves of support reactionforce along four striking directions were measured，at the same time，the whole processes of dynamic deformation anddamage of the bird body and the plate were recorded using a high speed camera system.The good agreement of the resultsbetween two specimens in one group indicated that the test results are reliable.The dynamic response of the plate and thedamage modes of the bird body influenced by striking velocity were analyzed.It was shown that the peak values of thedisplacement and support reaction force linearly enlarge with increase in striking velocity；the fluid features of the birdbody are obvious with increase in striking velocity，SO the bird body should be simulated using a fluid constitutive modelunder high velocity striking.The test results provided valuable data for establishing a bird body constitutive model，andabundant test data for a numerical simulation model applied in bird striking。

Key words：bird striking；45#steel；high velocity camera；experimental study鸟撞又称鸟击，指鸟或鸟群与飞机等人造飞行器之间因物理碰撞所造成的事故。高速飞行的飞机与飞鸟相撞会导致飞机结构的严重损坏，严重的鸟撞事件会导致机毁人亡的灾难性事故，特别是现代军用飞机如攻击机朝低空大速度方向发展，飞行时发生鸟撞事件的几率更大。全世界每年发生 1万次以上的鸟咨机事件，国际航空联合会已把鸟撞危害升级为A”类航空灾难。因此鸟撞问题已经成为飞机设计中必须考虑的重要内容之- 。

基金项 目：国家 自然科学基金项目(11102167)收稿 日期：2012-04-17 修改稿收到 日期 ：2012-06-27第-作者 刘 军 男，博士，讲师，1979年2月生鸟撞问题属于非常复杂的非线性冲击动力学问题，其特点主要表现在：瞬时冲击载荷、柔性撞击、大变形、材料非线形。传统研究鸟撞问题的方法-般采用经验公式法，目前的理论分析手段不足以解决工程中的鸟撞问题，试验研究和数值模拟研究是解决此类问题的必要手段。在飞机结构抗鸟撞设计中，鸟撞试验是最终也是最有效的检验方法 ，但鸟撞试验周期长、费用高。

随着计算机技术和有限元数值计算理论的迅速发展，数值模拟成为飞机结构抗鸟撞设计的有力工具，可在飞机结构鸟撞试验前对其进行校核 -修改设计 -校核，直到其顺利通过抗鸟撞试验校核再进行试验，这样大大降低了鸟撞试验费用，且缩短了设计周期。然而，18 振 动 与 冲 击 2013年第 32卷∞i2×臼 。

(a) D1点位移 (b) D2点位移 (C) D3点位移图6 位移测量结果比较Fig.6 Comparison on results of displacement measurement(a) S1点应变 (b) S2点应变 (C) S3点应变 (d) s4点应变图 7 应变测量结果比较Fig.7 Comparison on results of strain measurement(a) 1群件支反力 (b) 3带件支反力 (c) 5#件支反力 (d) 1#-6#件支反力 F2图8 支反力测量结果比较Fig.8 Comparison of suppo reaction force measurement峰值大型其出现的时刻基本相近，之所以出现微小差异的原因是鸟体撞击平板的姿态及鸟体材料的非均匀性会影响到支反力在四个角点的分布，本次试验 5#件4个支反力的峰值大型其出现的时刻-致性最好，3#件次之，1#件最差，可见，撞击速度越高，4个支反力的峰值大型其出现的时刻-致性越好。试验过程中传感器标定以压力为正拉力为负，3件试验的支反力均表现为压力。由于每个试验件的 4个支反力较-致，所以任取 F2为研究对象，对不同撞击速度下不同试验件的同-支反力进行比较，如图 8(d)所示，首先，同-组试验的两个试验件测量到的结果曲线吻合性很好，表明试验结果良好的重复性和较高的可靠性。其次，撞击速度为 36.5 m/s时，F2平均峰值约为 10 kN，撞击速度为84.9 m/s时，F2平均峰值约为30 kN，撞击速度为 118.5 m/s时，F2平均峰值约为55 kN，可见，撞击支反力随撞击速度呈近似直线规律变化。

2.4 高速摄像结果通过高速摄像系统，可以清楚地观察到鸟体撞击平板后的变形破碎及平板的变形过程，图9给出了不同撞击速度下时间间隔为1.5 ms的高速摄像结果。2#件的撞击速度为40.2 m/s， 0 ms显示了鸟体与平板接触的瞬间，撞击位置在平板中心，鸟体轴向与平板表面法线存在夹角， ：4.5 ms前鸟体与平板之间相互作用导致鸟体破碎和平板弯曲，t6.0 ms后鸟体反弹，撞击结束后鸟体破碎成大块的骨头和肉片。4#件的撞击速度为82.5 m/s，t0 ms显示了鸟体与平板接触的瞬间，撞击位置在平板中心，鸟体轴向与平板表面法线平行，为垂直正撞击， 3 ms前鸟体与平板之间相互作用导致鸟体破碎和平板弯曲，之后破碎的鸟体反弹，撞击结束后鸟体破碎成碎小的骨头和肉块。5#件的撞击速度为 118.5m/s，撞击过程中鸟体的破碎与平板的变形与4#件类似，撞击结束后鸟体破碎成细碎的骨头和肉沫。上述对高速摄像结果的分析表明，随着撞击速度的增大，鸟体的变形破碎程度不同，撞击速度较低时，鸟体破碎成大块的骨头和肉片，其本构模型应该采用带失效模式的弹塑性模型，撞击速度较高时，鸟体破碎成细碎的骨头和肉沫，表现为流体特征，其本构模型应该采用描述流体行为的状态方程。

20 振 动 与 冲 击 2013年第 32卷[8][9][10]姚孝，梁卫民，赵隆茂.飞机前风挡鸟撞过程研究[J].爆炸与冲击 ，2003(S)，增刊：167-168。

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(3)筋条的加入有可能对某些鸟撞性能起反作用，所以考虑采用筋条进行复合材料结构抗鸟字析时应进行合理的设计。