TC4鈦合金板在飛機(jī)機(jī)頭抗鳥(niǎo)撞部位的研究

鈦合金作是一種重要的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，具有比強(qiáng)度高和抗腐蝕性能優(yōu)異，因此在航空航天、船舶、兵器等領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛。目前最獲廣泛應(yīng)用的是以TC4為代表的具有中等強(qiáng)度但綜合性能較好的α+β鈦合金，常用于飛機(jī)上重要接頭、機(jī)頭頂部蒙皮、發(fā)動(dòng)機(jī)葉片和包容機(jī)匣等。

飛機(jī)機(jī)頭前端框和壁板是鳥(niǎo)撞事故概率較大的部位，由于機(jī)頭內(nèi)部有機(jī)組人員和重要的系統(tǒng)設(shè)備，故需要對(duì)這些重要部位進(jìn)行保護(hù)以避免產(chǎn)生災(zāi)難性事故。研究鈦合金平板抗沖擊的性能，對(duì)設(shè)計(jì)出既滿足抗鳥(niǎo)撞要求，又輕質(zhì)減重的機(jī)頭壁板結(jié)構(gòu)具有重要意義。針對(duì)TC4鈦合金板進(jìn)行抗鳥(niǎo)撞性能試驗(yàn)研究，利用1.8kg鳥(niǎo)以120m/s的速度撞擊鈦合金平板，在試驗(yàn)中測(cè)量結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)變響應(yīng)，試驗(yàn)結(jié)果顯示鈦合金平板具有優(yōu)異的抗沖擊性能。

使用TC4鈦合金板試驗(yàn)件尺寸為660mm×660mm，厚度為2mm，采用20個(gè)Φ8mm的螺栓通過(guò)壓板將鈦板安裝在夾具上， 在試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)量鈦板應(yīng)變和位移。鳥(niǎo)炮發(fā)射系統(tǒng)用于發(fā)射鳥(niǎo)彈，使其達(dá)到規(guī)定的速度，主要由氣罐、炮管、附屬設(shè)備和發(fā)射控制裝置組成。高壓氣罐是發(fā)射鳥(niǎo)彈的動(dòng)力源，根據(jù)規(guī)定的鳥(niǎo)彈速度設(shè)定發(fā)射的壓力，待氣罐壓力達(dá)到預(yù)定值并穩(wěn)定后，發(fā)射電磁閥打開(kāi)，高壓氣體推動(dòng)鳥(niǎo)彈在炮管滑行，并將其發(fā)射出去。測(cè)速系統(tǒng)利用鳥(niǎo)彈觸發(fā)激光測(cè)速系統(tǒng)的兩道光幕測(cè)得鳥(niǎo)彈的飛行速度。因?yàn)轼B(niǎo)撞過(guò)程是一個(gè)毫秒級(jí)的瞬態(tài)沖擊動(dòng)力學(xué)行為，試驗(yàn)中放置兩臺(tái)高速攝像機(jī)對(duì)鳥(niǎo)撞過(guò)程進(jìn)行記錄。試驗(yàn)件上布置動(dòng)態(tài)應(yīng)變片和位移傳感器，測(cè)量試驗(yàn)件上的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

鳥(niǎo)彈以120.78m/s的速度垂直撞擊到鈦板中心，鈦板僅產(chǎn)生變形。而在其他鋁板的試驗(yàn)中，鋁板產(chǎn)生很大變形凹坑或破損，對(duì)比顯示了鈦板優(yōu)異的抗沖擊性能。由于鳥(niǎo)撞高速瞬態(tài)的沖擊，使得應(yīng)變的測(cè)量非常困難，試驗(yàn)中的應(yīng)變測(cè)量點(diǎn)僅2Y，3X，3Y，4X和位移測(cè)量點(diǎn)6完整的記錄了數(shù)據(jù)，其他應(yīng)變片皆被震斷而沒(méi)有測(cè)得數(shù)據(jù)。數(shù)值模擬中為了避免鳥(niǎo)體撞擊產(chǎn)生大變形和散開(kāi)使得計(jì)算中止，采用PAM-CRASH軟件的SPH（光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)）方法模擬鳥(niǎo)體。鳥(niǎo)體的形狀采用兩端帶半球形的圓柱體，鳥(niǎo)體密度約為水的95%，則鳥(niǎo)體模型密度為950kg/m3 ，8lb鳥(niǎo)體的D為134mm。

鈦板采用帶失效的Power彈塑性本構(gòu)，其應(yīng)變率硬化采用Johnson-Cook模型，夾具的槽鋼采用彈塑性本構(gòu)，夾具后端固支。螺栓采用Plink單元模擬，將壓板、鈦板和夾具連接。對(duì)鈦合金板，鋼板和鋁合金板進(jìn)行了抗鳥(niǎo)撞沖擊試驗(yàn)，顯示了鈦合金板優(yōu)異的抗鳥(niǎo)撞沖擊性能，為鈦合金板在飛機(jī)機(jī)頭抗鳥(niǎo)撞部位的應(yīng)用積累了試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了信心。