飞机全尺寸风挡抗鸟撞击实验研究

采用高速摄像系统和数据测量采集系统,详细研究了鸟撞某型号飞机全尺寸风挡的动态响应全过程,分析了风挡撞击后的破坏模式,得到了风挡抗鸟撞击的临界速度及结构关键点的位移、应变时程曲线等重要数据.通过分析高速摄影照片,提出了用于鸟撞风挡数值仿真分析的鸟体形状模型.所获结果可为建立合理的鸟撞风挡有限元模型提供实验依据及验证实例.     

某型飞机风挡鸟撞试验与数值模拟

通过某型飞机风挡全尺寸鸟撞试验,研究了风挡受鸟撞击的破坏模式.在试验研究基础上,采用非线性有限元方法,基于ABAQUS/Explicit软件平台和内嵌的材料用户定义子程序(VUMAT),建立了鸟撞飞机风挡的力学分析模型,详细模拟了鸟撞风挡时损伤产生及演化的全过程.该模型分别应用弹塑性模型和非线性粘弹性模型表征鸟体和风挡的本构关系,并将剪切失效判据和拉伸失效判据分别作为鸟体和风挡的失效准则,采用单元消失技术处理模型失效单元.试验获得了风挡抗鸟撞击的临界速度和结构关键点的位移、应变时间曲线等重要数据;本文模型的数值结果与本文试验提供的鸟体和风挡的瞬时变形、风挡的破坏模式、风挡测量点的位移和应变曲线吻合较好.     

YB3航空有机玻璃平板鸟撞动态响应实验研究

为验证鸟撞有机玻璃平板数值计算模型的正确性,同时为进一步设计研制具有高抗鸟撞能力的航空有机玻璃风挡提供有价值的数据,本文采用动态数据采集系统,对YB3航空有机玻璃平板在两种不同速度下的鸟体撞击动态响应全过程进行了详细研究。测量了YB3平板上三个点的位移、七个点的应变、鸟体撞击方向四个支反力等物理量随时间的变化历程,同时利用高速摄像系统记录了鸟体撞击下平板动态变形和破坏的全过程。分析了鸟撞实验结果的有效性,同时分析了有机玻璃被鸟体击穿后的破坏模式。重复性实验结果的一致性表明了本文实验测试结果的有效性和可靠性。     

基于PAM-CRASH的鸟撞飞机风挡动响应分析

结合显式动力分析有限元软件PAM-CRASH及其提供的SPH算法,建立了鸟撞飞机风挡数值分析模型。对某飞机风挡进行了动响应分析,计算了风挡中轴线上四点位移时间曲线;鸟撞击过程的仿真结果表明,SPH鸟体模型能有效模拟撞击时鸟体溅射成碎片的情形;建立了鸟撞击作用下风挡破坏判据,对风挡在试验条件下是否破坏进行了模拟计算。计算结果和试验结果吻合较好,表明本文建立的鸟撞飞机风挡数值模型是有效的。     

峰窝夹芯结构雷达罩鸟撞有限元分析与模拟

建立了鸟撞蜂窝夹芯结构雷达罩的有限元分析模型。选取具有代表性的四类不同重量和大小的鸟及多种撞击速度,运用大型非线性动力学有限元程序ＭＳＣ／Ｄｙｔｒａｎ的ＡＬＥ计算功能,计算得出了六种可能情况下雷达罩抗鸟撞动力响应及结构受损情况。最后对结果进行了分析。数值模拟结果为雷达罩抗鸟撞设计提供了理论参考依据。     

水陆两栖飞机尾翼抗鸟撞设计与验证方法研究

为确保水陆两栖飞机尾翼结构的抗鸟撞性能,针对其不同结构部位提出不同的抗鸟撞设计思路。耦合SPH方法建立了尾翼结构的鸟撞数值模型,采用实验方法获得了结构铝合金材料的准静态和中低应变率拉伸实验数据以及不同冲击速度下带母材铆钉的极限拉伸载荷和极限剪切载荷数据。进一步开展了尾翼结构抗鸟撞分析,并通过鸟撞实验对数值分析结果进行验证。结果表明,针对水陆两栖飞机尾翼前缘结构提出的两种抗鸟撞设计思路合理,且具有较好的抗鸟撞性能;结构采用的3种铝合金存在较为明显的应变硬化效应,但应变率敏感性较弱;随着加载速度的增大,结构采用的4种铆钉拉伸载荷呈下降趋势,但总体幅度并不大,而剪切载荷变动较小;建立的尾翼结构鸟撞数值分析模型准确,较好预测了结构的破坏模式和鸟体冲击分散过程。     

鸟体姿态对结构抗鸟撞性能的影响

低于现行标准规定能量的大量鸟撞事故中,航空结构仍然发生实质性破坏的情况,说明只考虑鸟体的质量和速度不足以保证飞机安全。本文中针对弹性平板、雷达罩及机翼前缘等飞机典型结构,开展了不同姿态鸟体的鸟撞分析研究。分析结果发现,鸟体姿态对结构的抗鸟撞性能有比较显著的影响,不同的结构特点反映的响应规律也不同:对吸能结构,姿态角越大,吸收的能量越多,被保护的结构就越安全;而对承力结构,姿态角越大,高应力区域越大,结构就越危险。因此,在结构的抗鸟撞安全性评估中,除了完成特定姿态鸟体的鸟撞实验,针对危险工况还应通过数值分析评估不同鸟体姿态的结构撞击响应,进一步确保结构的抗鸟撞能力。     

蜂窝夹芯雷达罩结构的鸟撞数值分析

运用非线性动力学有限元软件PAM-CRASH对鸟撞击蜂窝夹芯结构雷达罩的过程进行了数值分析。在有限元建模中对材料模型的选取做了详细的讨论。根据适航标准,使用1.80 kg的鸟体进行鸟撞分析。在不考虑材料应变率强化作用的情况下,计算了鸟体对结构上21个不同位置的撞击,给出了雷达罩结构吸收冲击能量随撞击位置的变化规律。对玻璃纤维面板材料的应变率强化作用进行讨论,对比分析了应变率强化作用对计算结果的影响,数值模拟结果可为雷达罩鸟撞实验提供参考。     

典型梁-缘结构鸟撞破坏的有限元分析

以某特种飞机机身处典型支撑结构为对象,建立了鸟撞击多层间隙梁-缘结构的三维有限元分析模型。在给定的三种工况下,运用大型非线性动力学有限元分析程序ANSYS/LS-DYNA的ALE-Lagrange耦合运算功能,计算得到了鸟撞击关键部位的数值结果及结构的鸟撞临界速度,考察了不同撞击点对结构动响应的影响,分析了结构鸟撞破坏机理,经与全尺寸实验结果比较,不论是结构的变形量还是破坏模式,两者均吻合较好,从而证明了本文方法及模型的正确性。     

微型无人机和鸟体撞击飞机风挡玻璃对比实验

微型无人机呈现爆炸式增长,对民航飞机造成了极大的安全威胁。为探索微型无人机与鸟体对飞机结构碰撞损伤的差异性,本文开展市场上常见的消费级微小型无人机和等重鸟体对飞机风挡撞击的对比性实验。实验采用空气炮法,利用高速摄像观察两者撞击过程并测算撞击速度,对比实验后风挡损伤面积。研究结果表明,等质量鸟体和微型无人机在同等冲击速度下,由于无人机和鸟体组织构成不同,微型无人机的穿透力大于鸟体穿透力,速度衰减小于鸟体速度衰减,对风挡造成的损伤面积小于鸟体的损伤面积。所以微型无人机更容易穿透风挡对舱内人员和内部设施造成损伤,具备更大的破坏力。     

Experimental and FEM study of windshield subjected to high speed bird impact

Both experimental and finite element model (FEM) results are presented for the dynamic strength behavior of windshield subjected to bird impact. The experimental data taken from a series of high speed photographs are compared with the numerical results predicted by using FEM in which the windshield was modeled entirely with solid elements and the bird body was approximately simulated by an elastic-plastic material with failure element behavior. Effective plastic strain and element pressure were adopted as the failure criteria and once the pressure or the effective plastic strain of an element reached the critical value, the element would lose the tensile resistance capability completely. The deflection and stress distribution in the windshield were obtained. It is shown that the result from the finite element analysis agrees with those from the full-scale bird impact test. The project supported by the National Natural Science Foundation of China (10272011)     

基于神经网络方法的鸟撞飞机风挡冲击载荷反演

以鸟撞实验中传感器实测信号为基础,结合有限元正问题计算方法与神经网络理论,构造小波动态延时反馈神经网络,并详细分析了该网络的结构参数、对比了网络单点应变输入法、两点应变输入法以及三点(多点)应变输入法的训练效率与反演精度．构造的神经网络可以高精度地反演出鸟撞飞机风挡过程中冲击载荷时间历程,同时具有较高的抗干扰能力,且训练过程平稳、训练效率高．根据已有的研究成果,提出了鸟撞实验应变传感器建议布置,可以在满足实验测量要求的基础上简化实验过程,提高实验效率．     

Transition from progressive buckling to global bending of circular shells under axial impact––Part I: Experimental and numerical observations

The influence of impact velocity and material characteristics on the dynamic buckling response of circular shells subjected to axial impact loads is studied. It is shown experimentally that the critical buckling length, which marks the transition between progressive and global buckling of aluminium alloy circular tubes, is significantly influenced by the axial impact velocity. A finite element analysis is undertaken to further explore the effects of material yield stress, strain hardening and strain rate sensitivity on the transition phenomenon. It is observed that circular tubes made of ductile alloys with a high yield stress and low strain hardening characteristics have a better performance as energy absorbers than tubes made of alloys with a low yield stress and high strain hardening characteristics. Theoretical analysis of some particular features of the dynamic buckling transition is presented in Part II [International Journal of Solids and Structures (2004)].     

Dynamic tensile characterization of pig skin

The strain-rate dependent response of porcine skin oriented in the fiber direction is explored under tensile loading. Quasi-static response was obtained at strain rates in the range of 10-3s-1to 25 s-1. Characterization of the response at even greater strain rates is accomplished by measuring the spatio-temporal evolution of the particle velocity and strain in a thin strip subjected to high speed impact loading that generates uniaxial stress conditions. These experiments indicate the formation of shock waves; the shock Hugoniot that relates particle velocity to the shock velocity and the dynamic stress to dynamic strain is obtained directly through experimental measurements, without any assumptions regarding the constitutive properties of the material.     

固支浅圆拱受子弹撞击的实验研究

本文报导了铝合金固支浅圆拱在子弹撞击下动力响应的实验研究,试验中采用应变片测量并由高速摄影得到试件变形的瞬态记录。实验结果表明,此类浅拱的动力响应不存在失稳现象;但在某一撞击速度区间内,拱的中心位移增加较快,拱的响应前期轴力可以忽略不计,而在后期则必须考虑。     

On the Application of the Critical Excitation Method to Aseismic Design

ABSTRACT

The problem of critical excitation of linear structures subjected to earthquake support motion is investigated. For a given time duration and peak ground acceleration, the critical time history which maximizes the absolute acceleration response is obtained. Similar considerations are given to the critical ground acceleration which maximizes the relative displacement and velocity responses. Some bounds on the response spectra curves are obtained and discussed.