段丽慧，黄超广，杨卫平

（航空工业第一飞机设计研究院，西安 710089）

飞机尾翼结构作为飞机上的关键部件，其抗鸟撞研究是新机研制中一个非常重要的研究课题，常规的抗鸟撞设计主要有采用金属前缘蒙皮、前缘内设置防鸟撞板等措施。小型飞机受限于尾翼前缘内部空间狭小以及减重问题，既不能采用金属蒙皮，又无法在前缘内设置防鸟撞板。为了达到抗鸟撞设计目的，一种思路是采取具有透波功能的复合材料——高温固化环氧树脂芳纶纤维。虽然芳纶纤维具有密度低、耐磨蚀、耐冲击等特性，但是国内尚无采用该材料进行抗鸟撞设计的先例。

文中对采用芳纶纤维复合材料的飞机尾翼结构抗鸟撞性能进行了研究。对芳纶纤维夹芯和芳纶纤维层合板两种构型进行了仿真分析，并进行了试验验证。结果表明，芳纶纤维夹芯构型抗鸟撞效果较好，芳纶纤维层合板构型由于变形过大造成前梁腹板损伤，飞机维修成本较高。

1 结构简介

某型机尾翼结构形式如图1 所示，由尾翼前缘及盒段组成。前缘材料采用芳纶纤维，盒段材料为碳纤维。为了研究尾翼前缘构型对抗鸟撞性能的影响，设计了两种前缘构型：芳纶纤维夹芯构型和芳纶纤维层合板构型。两种构型的盒段结构相同，前缘结构铺层数量和厚度如图2 和图3 所示。

图1 尾翼结构Fig.1 Schematic of empennage structure

图2 芳纶纤维夹芯构型Fig.2 Schematic of the foam sandwich structure

图3 芳纶纤维层合板结构Fig.3 Schematic of the laminate structure

2 仿真分析

2.1 鸟体模型

鸟体模型对于鸟撞过程的有限元仿真至关重要，直接影响计算结果的准确性。文中采用光滑粒子流体动力学（SPH）模型，如图4 所示。该模型适合于各种速度下的鸟撞分析，还能够模拟鸟体在鸟撞过程中飞溅现象。鸟体简化形状为两端带半球的圆柱体，鸟体长度和直径之比为 2:1 。鸟体材料模型选用Murnaghan 状态方程：

式中：p和p0为现时压力和初始压力时密度与初始密度的比值，0ρ=962 kg/m3；γ为指数，取7.98；B为体积弹性模量，B=128 MPa。鸟体撞击速度取128 m/s。

图4 鸟体模型Fig.4 Bird model

2.2 尾翼模型

尾翼两种前缘结构有限元模型如图5 所示。分析模型中，蒙皮由二维壳单元模拟，泡沫芯材由三维体单元模拟，前缘与盒段之间以及盒段各部件之间的连接采用Tied 模拟。

图5 有限元模型Fig.5 Finite element model: a) foam sandwich structure; b) laminate structure

2.3 材料属性

前缘材料为芳纶纤维和泡沫夹芯，盒段材料主要为碳纤维织物和单向带，芳纶纤维和碳纤维材料参数均由试验获得，部分参数见表1。失效准则为最大等效应变。

表1 尾翼材料参数Tab.1 Parameters of empennage material

2.4 仿真结果

采用大型冲击碰撞分析有限元程序PAM-CRASH进行鸟撞仿真计算，计算时间为20 ms。鸟体剩余动能曲线如图6 所示。芳纶纤维夹芯结构前缘、尾翼盒段前梁破坏形态如图7a、b 所示；芳纶纤维层合板结构前缘、尾翼盒段前梁破坏形态如图7c、d 所示。

图6 鸟体剩余动能曲线Fig.6 Residual kinetic energy curve of bird

图7 破坏形态Fig.7 Failure pattern: a) leading edge (foam sandwich structure); b) fore beam web (foam sandwich structure);c) leading edge (laminate structure); d) fore beam web (laminate structure)

从鸟体剩余动能曲线可以看出，两种构型都能大幅吸收能量，且层合板构型比夹芯构型吸收能量略多一些。从前缘和前梁破坏形态图可以看出，芳纶夹芯前缘构型在鸟撞击后，前缘有大变形，但是尾翼盒段前梁没有破裂。芳纶层合板前缘构型在鸟撞击后，前缘不但有大变形，而且被鸟体穿透，前梁破裂。

3 试验验证及分析

对芳纶夹芯前缘构型和芳纶层合板前缘构型进行地面鸟撞试验，试验速度分别为 128.2 m/s 和129.1 m/s，满足速度偏差要求。试验结果如图8 所示。可以看出，芳纶夹芯前缘构型前缘凹陷，前梁没有破裂；芳纶层合板前缘构型前缘破裂，前梁有破损。两种构型的试验结果与仿真结果高度吻合。仿真以及试验结果表明，芳纶层合板前缘构型虽然由于变形更大吸能较多，但是前缘支撑刚度较小，前缘变形过大，受限于前缘内狭小的缓冲空间，剩余鸟体撞击尾翼盒段前梁，撞破前梁腹板，从而导致飞机维修成本更高。

4 结论

对采用芳纶纤维复合材料的飞机尾翼结构抗鸟撞性能进行了研究，针对芳纶纤维夹芯和芳纶纤维层合板两种构型，分别建立了有限元模型进行仿真分析并进行了试验验证。仿真及试验结果表明：芳纶夹芯前缘构型比芳纶层合板前缘构型具有更好的抗鸟撞性能；芳纶纤维层合板构型会造成前缘蒙皮变形过大，造成前梁腹板破损，导致飞机鸟撞后维修成本较高。

图8 地面鸟撞试验破坏形态Fig.8 Failure modes of bird impact test on the ground:a) leading edge (foam sandwich structure); b) fore beam web (foam sandwich structure); c) leading edge (laminate structure); d) fore beam web (laminate structure)

文中虽然仅对飞机尾翼结构进行了抗鸟撞性能研究，但是对机翼前缘结构抗鸟撞设计也具有指导作用。