1、西安航空职业学院毕业论文单元尺寸对复合材料层压板蒙皮鸟撞模拟的影响分析姓 名： 专 业： 航空电子 班 级： 完成日期： 指导教师: 2摘要：通过仿真与试验的对比分析，分析结构单元尺寸对飞机尾翼复合材料蒙皮鸟撞模拟精度的影响。基于 PAM-CRASH 软件，用光滑粒子流体动力学方法建立适航条例所规定鸟体结构模型，用二维壳单元模拟层压板结构，通过试算计算出多种单元尺寸下结构破损的临界速度。结果表明，在层压板不发生破损的情况下，单元尺寸对位移计算结果影响很小；临界破损速度的计算值随着单元尺寸的增大而增大；当层压板单元尺寸为 5mm 时，临界破损速度和应变响应与实测结果吻合最好。关键词：鸟撞，复合材
2、料，光滑粒子流体动力学，单元尺寸，临界破损速度抗鸟撞性能是民用飞机结构的重要性能，运输类飞机适航标准中规定尾翼结构的设计必须保证其在与 3.6 公斤重的鸟相撞后仍然能继续安全飞行和着陆 1。飞机垂尾前缘常为复合材料结构，穿透性是蒙皮的抗鸟撞性能主要参数。鸟撞的分析方法主要有数值模拟和工程计算方法 2。鸟撞的数值模拟方法主要有流固耦合分析方法，将鸟体视为流体，可用欧拉-拉格朗日网格耦合的方法模拟 3，如 MSC.Dytran，或者光滑粒子流体动力学方法(Smoothed Particle Hydrodynamics，SPH)模拟 4，如 PAM-CRASH 软件。对于复杂的接触动力学问题，结构单
3、元尺寸常对计算结果有显著影响，本文计算了几种单元尺寸下复合材料层压板的鸟撞响应，并与试验结果进行了对比，分析了单元尺寸对层压板破坏模拟精度的影响。1 计算模型1.1 鸟体模型用 PAM-CRASH 软件，用 SPH 方法来模拟鸟撞过程。鸟体的形状采用两端带半球形的圆柱体，如图 1 所示。鸟体密度约为 950kg/m3，D 为 134mm，鸟体重为 3.6kg。鸟体材料模型采用 Monaghan 28 材料，其状态方程为 5：（1）00(/)1pB其中 为参考压力， 为当前密度， 为初始密度； ，B压力参数，SPH方法要求这0p07两个参数取值要保证液体中的声速足够大，从而使其密度的相对变化足够
4、小。液体中的声速 为：sc（2）20sB密度的相对变化为：（3）2svc其中 为流体的最大速度。本文参照McCARTHY等人 6的工作，取 B=128Mpa， =7.98。这种v 情况下，当 时，密度相对变化为足够小，约为0.004。20/ms2DDD/2图 1 鸟体的 SPH 模型Fig.1 SPH Bird Model1.2 复合材料层压板模复合材料层压板结构尺寸及测量方案如图2所示。层压板的厚度为6mm，板四边用钢制夹具固支。复材层压板和钢板都使用2D壳元模拟。复合材料层压板纤维的主要力学参数见表1，模型中不考虑钢板的失效。复合材料单元尺寸从4mm到10mm。有限元模型及单元的应变方向见
5、图3。分别建立了单元尺寸为4mm、5mm、8mm和10mm的模型，进行45角度冲击的模拟。 50 5 4 3 2 20 20 1 撞 击 点 应 变 花 ， 单 片 编 号 沿 逆时 针 增 大 。 激 光 位 移 点 ， 偏 移 中 心x10m, y10m 90 20 20 90 冲 击 方 向 图2 层压板鸟撞试验方案Fig.2 Bird strike test plan of composite2 方向1 方向图 3 有限元模型及对应测得的应变点Fig.3 FEM model and strain test point表 1 复合材料纤维强度参数Tab.1 Material parame
6、ter data拉伸模量 压缩模量 拉伸强度 压缩强度23.77GPa 27.49GPa 502MPa 500MPa2 计算与试验数据对比分析2.1 未损伤结构响应分析首先进行了 130m/s 工况下的仿真，这种情况下板没有击穿。三种单元尺寸下的计算与试验的位移数据如图 4 所示。可见各种单元尺寸下的位移数据十分接近，位移的最大值与试验值非常接近，只是实测数据的变形恢复较慢。还可以看出，未发生损伤的情况下单元尺寸对位移的影响很小。 Displacemnt Curves Comparing(130m/s)0102030405060701 2 3 4 5 6TIME(ms)DISPLACEMNT(
7、m)testELMENT SIZE=10mELMENT SIZE=8mELMENT SIZE=5m图 4 位移响应与试验的对比曲线（130m/s）Fig.4 Comparing test and simulation of displacement (130m/s)-8.0E-3-4.0E-30.E+04.0E-38.0E-31.2E-021.6E-022.0E-2.00.51.01.52.02.53.03.54.0TIME(ms)STRAINtesimulation图5 点1应变曲线对比（2方向）Fig.5 Strain curve comparing of point 1(2 direct
8、ion)-6.0E-3-4.0E-3-2.0E-30.E+02.0E-34.0E-36.0E-38.0E-31.0E-21.2E-021.4E-02.00.51.01.52.02.53.03.54.0TIME(ms)STRAINtesimulation图6 点4应变曲线（1方向）Fig.6 Strain curve comparing of point 4(1 direction)为了进一步分析仿真的准确性，对比单元尺寸为5mm模型的应变数据。由于鸟撞试验为高速试验，应变片极易脱落或焊线断裂，试验得到的应变数据较为有限，因此本文只对比1、4、5点的应变时间历程，分别如图5、图6和图9所示。从中
9、可以看出，这种单元尺寸下，仿真数据和实测数据的趋势吻合，最大应变十分接近，反映了数值仿真较好的精度，可以用来预测结构的响应。-4.0E-3-2.0E-30.E+02.0E-34.0E-36.0E-38.0E-31.0E-21.2E-02.00.51.01.52.02.53.03.54.0TIME(ms)STRAINtesimulation图 7 点 5 应变曲线（1 方向）Fig.7 Strain curve comparing of point54(1 direction)2.2 临界破损速度分析蒙皮破损性是决定鸟撞性能的关键性能，故研究各种单元尺寸下层压板的临界破损速度。试算结果表明，在不
10、同网格尺寸下，使板产生长度为315mm的裂缝所需的撞击速度不同。试验测得层压板鸟撞破坏的临界速度为175m/s。各个网格尺寸下，仿真的破损情况和临界破损速度分别如图8和图9所示。（a）4mm，174m/s（b）5mm 175m/s（c）8mm，210m/s（d）10mm，220m/s图 8 各种单元尺寸和临界破损速度下结构破坏情况Fig .8 Crack size at different elements size and velocity从图8可以看出随着单元尺寸的增大，临界破损速度逐渐增大，当单元尺寸为10mm时，比真实情况高约25%。当单元尺寸为4mm和5mm时，临界速度最接近试验值，
11、说明在网格尺寸小于5mm时，单元尺寸大小对临界速度影响变的很小，因此综合考虑精度和效率的影响，复合材料层压板的建模时，以5mm为最终单元尺寸。1701751801851901952002052102152203 4 5 6 7 8 9 10 11Mesh size (mm)VelocityThreshold (m/s)图 9 各种单元尺寸下的破损的临界速度Fig.9 Critical velocity of different elements size3 结论（1）从试验和分析对比结果可以看出，本文建立的鸟撞分析模型是合理的，并可以用于后续试验的预测；（2）各单元尺寸的模型所得位移数据十分接
12、近，峰值与试验值较为吻合。（3）单元尺寸对临界破损速度有影响，尺寸为 4mm 和 5mm 的模型得出的临界破损速度最为准确，而随着单元尺寸的增大，计算出临界破损速度逐渐增大。5mm 单元模型所得的应变数据与试验结果也吻合较好，这种模型适合文中所述的复合材料层压板鸟撞动力学分析。参 考 文 献1 中国民用航空规章第 25 部. 运输类飞机适航标准CCAR-25R4,20092 张鹏.复合材料结构抗撞击损伤设计分析技术. 应用力学学报. 2001, 18:151-1553 于连超, 陈伟, 关玉璞, 温海涛. 复合材料层压板鸟撞损伤及吸能影响因素数值分析. 航空动力学报, 23(6): 1106-
13、11104 米保卫, 赵美英. 机翼复合材料张力蒙皮结构抗鸟撞分析.计算机仿真，2010,27(2),：22-255 J J Monaghan. Smoothed particle hydrodynamics, REPORTSON PROGRESSIN PHYSICS. 2005(68)：1703-17596 M.A. McCARTHY, C.T. McCARTHY, J.R. XIAO A. KAMOULAKOS, J. RAMOS, J.P. GALLARD and V. MELITO. Modelling of Bird Strike on an Aircraft Wing Leading Edge Made from Fibre Metal Laminates Part 2: Modelling of Impact with SPH Bird Model. Applied Composite Materials, 2004, 11: 317-340致 谢感谢我的同学和朋友，在我写论文的过程中给予我了很多素材，还在论文的撰写和排版过程中提供热情的帮助。由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和学友批评和指正!
