TC4鈦合金板在飛機機頭抗鳥撞部位的研究

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)域的應用非常廣泛。目前最獲廣泛應用的是以TC4為代表的具有中等強度但綜合性能較好的α+β鈦合金，常用于飛機上重要接頭、機頭頂部蒙皮、發(fā)動機葉片和包容機匣等。

飛機機頭前端框和壁板是鳥撞事故概率較大的部位，由于機頭內(nèi)部有機組人員和重要的系統(tǒng)設備，故需要對這些重要部位進行保護以避免產(chǎn)生災難性事故。研究鈦合金平板抗沖擊的性能，對設計出既滿足抗鳥撞要求，又輕質(zhì)減重的機頭壁板結(jié)構(gòu)具有重要意義。針對TC4鈦合金板進行抗鳥撞性能試驗研究，利用1.8kg鳥以120m/s的速度撞擊鈦合金平板，在試驗中測量結(jié)構(gòu)的位移和應變響應，試驗結(jié)果顯示鈦合金平板具有優(yōu)異的抗沖擊性能。

使用TC4鈦合金板試驗件尺寸為660mm×660mm，厚度為2mm，采用20個Φ8mm的螺栓通過壓板將鈦板安裝在夾具上， 在試驗過程中測量鈦板應變和位移。鳥炮發(fā)射系統(tǒng)用于發(fā)射鳥彈，使其達到規(guī)定的速度，主要由氣罐、炮管、附屬設備和發(fā)射控制裝置組成。高壓氣罐是發(fā)射鳥彈的動力源，根據(jù)規(guī)定的鳥彈速度設定發(fā)射的壓力，待氣罐壓力達到預定值并穩(wěn)定后，發(fā)射電磁閥打開，高壓氣體推動鳥彈在炮管滑行，并將其發(fā)射出去。測速系統(tǒng)利用鳥彈觸發(fā)激光測速系統(tǒng)的兩道光幕測得鳥彈的飛行速度。因為鳥撞過程是一個毫秒級的瞬態(tài)沖擊動力學行為，試驗中放置兩臺高速攝像機對鳥撞過程進行記錄。試驗件上布置動態(tài)應變片和位移傳感器，測量試驗件上的動態(tài)響應。

鳥彈以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中，鋁板產(chǎn)生很大變形凹坑或破損，對比顯示了鈦板優(yōu)異的抗沖擊性能。由于鳥撞高速瞬態(tài)的沖擊，使得應變的測量非常困難，試驗中的應變測量點僅2Y，3X，3Y，4X和位移測量點6完整的記錄了數(shù)據(jù)，其他應變片皆被震斷而沒有測得數(shù)據(jù)。數(shù)值模擬中為了避免鳥體撞擊產(chǎn)生大變形和散開使得計算中止，采用PAM-CRASH軟件的SPH（光滑粒子流體動力學）方法模擬鳥體。鳥體的形狀采用兩端帶半球形的圓柱體，鳥體密度約為水的95%，則鳥體模型密度為950kg/m3 ，8lb鳥體的D為134mm。

鈦板采用帶失效的Power彈塑性本構(gòu)，其應變率硬化采用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。對鈦合金板，鋼板和鋁合金板進行了抗鳥撞沖擊試驗，顯示了鈦合金板優(yōu)異的抗鳥撞沖擊性能，為鈦合金板在飛機機頭抗鳥撞部位的應用積累了試驗數(shù)據(jù)，建立了信心。