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摘 要：基于ANSYSAUTODYN软件，建立SPH 砂石撞击2024T351航空铝合金Lagrange靶板模型，研究靶板分层和叠层顺序对靶板抗撞击特性的影响。数值仿真发现：在靶板相同厚度条件下，单层板的抗撞击性能高于双层板。相同弹体撞击速度下，靶板不同叠层方式具有不同的抗撞击能力。
关键词：砂石；铝合金扰流板；撞击特性；数值仿真
The research on characteristics of the aircraft spoiler with impact of sandstone and other foreign objects
Jiang Ming Lu Mingjian Deng Yunfei
College of Aeronautical Engineering，Civil Aviation University of China Tianjin 300300
Abstract：The model of 2024T351 aerospace aluminum Lagrangian target impacted by SPH sandstone bullet was established by using ANSYSAUTODYN software， and the effects of target layer stratification and stacking on the impact resistance of the target were studied. The numerical simulation shows that for the same thickness target， the impact resistant of singlelayer target is stronger than the doublelayer target. The different stacking method has different impact resistance due to identical velocities of the sandstone.
Key words：Sandstone； Aluminium alloy spoilers； Impact characteristics； Numerical simulation
伴随我国民航事业的快速发展，飞机数量和航班次数显著增长[1]。飞机在起飞、滑行、降落过程中受到砂石等外来物撞击的事件时有发生，在砂石撞击飞机扰流板后，会引起扰流板的外形改变，影响飞机的操纵性，严重时甚至会导致飞机的失控，对飞行安全和航空公司运营带来威胁[2]，研究砂石对铝合金扰流板的冲击问题显得尤为重要。
近几年，国内外一些学者对外物撞击引发的损伤问题进行了研究，提供了一定的研究成果。
尹冬梅等[3]通过LSDYNA软件模拟了砂石撞击发动机叶片损伤的数值模拟与分析。仿真结果表明：砂石撞击速度越大，接触撞击力就越大，对叶片的损伤也越大；撞击位置越接近叶片尖部，叶根处的塑性硬化越强。
周胜田[4]通过实验与数值仿真对比分析的方法，对航空发动机叶片受到外来物撞击的损伤影响进行了研究。利用硬物颗粒撞击航空发动机的叶片前缘，研究不同应力幅值情况下，冲击能量与缺口深度的关系。研究结果表明，在低于一定应力幅值条件下，外来物撞击损伤可以忽略不计；当高于相应应力幅值时，外来物撞击大大降低了叶片的使用寿命。
根据研究現状的分析，利用有限元数值模拟研究方法，建立砂石撞击铝合金扰流板简化模型，揭示铝合金板分层及叠层顺序对铝合金板抗撞击特性的影响规律及机理。
1 数值仿真模型
1.1 砂石几何参数和材料参数
为消除靶板边界效应的影响，控制砂石直径与靶板直径比值为1：10不变。本文砂石形状为圆球，SPH粒子尺寸为0.5mm。文中砂石的材料参数设置与文献[3]保持一致。
1.2 靶板几何参数和材料参数
靶板总厚度为2 mm，半径长度与网格数比值为1，厚度与网格数比值为0.5。其中分层和叠层靶板之间接触方式为硬接触，即在接触面传递压力不受影响。靶板材料参数来自文献[5]，为防止网格畸变使运算停止，将靶板的侵蚀形式设为瞬时几何应变，值为1。用代码表示靶板结构，T1、T2、T3、T4分别表示厚度为0.5、1、1.5、2 mm 的靶板，并且T3T1表示1.5 mm板在前而0.5 mm 板在后组成的双层靶，其它依次类推。
1.3 几何模型
弹体采用SPH算法，是将连续的流体用相互作用的质点组来描述，各物质点上承载质量和速度等参量，通过求解质点组的动力学方程和跟踪每个质点的运动轨道，进而求得整个系统的力学行为。
对靶板施加边界条件，使其在撞击过程中保持外缘固支，图1为砂石和靶板几何模型。
2 砂石撞击铝合金板过程
图2为10 mm直径的砂石以300 m/s的速度撞击T4靶板的过程图，可以看出，砂石撞击过程时间很短，约60 μs。
砂石弹体撞击靶体过程大致可以分为三个阶段：圆球形弹体与靶体接触撞击时，靶体在受弹体撞击瞬间产生应力集中，会在高应力点形成微小的凹坑，弹体前端会沿外径方向挤压靶体材料，凹坑深度和区域逐渐增加，弹靶接触面积增加，如图 2 （a）所示。
当弹体撞击力大于靶体的强度极限，靶体被击穿，形成圆形扩孔并伴有明显的局部变形，如图 2（b）所示。弹体未完全穿过靶体时，靶体仍受到弹体挤压，致使扩孔增大，塑性变形增加，并伴随产生许多裂纹，中心破坏区域的靶体向后翻转，形成花瓣形开裂，如图 2（c）所示。由图2 （d）可以看出，弹体完全穿过靶体后靶体破坏严重，失效区域有很大的塑性变形。 3 数值仿真结果和分析
为研究砂石初始撞击条件和靶板几何结构对靶板撞击过程和撞击特性的影响，本文进行了相关系列的数值仿真计算，揭示了靶板分层、叠层顺序对靶板抗撞击特性的影响规律及机理。
3.1 靶板分层影响
为探究靶板相同厚度下分层对其抗撞击特性的影响，选取砂石直径为10 mm，速度为200 m/s，靶板直径为100 mm，结构为T4和T2T2。表1为砂石撞击不同结构靶体的仿真结果。
数值仿真研究表明，靶板的分层对靶体的抗撞击性能存在影响。从表1可知，当砂石以相同的初始条件撞击T4靶板后，其剩余速度和剩余动能均比撞击T2T2靶体小，速度变化量和动能变化量均比撞击T2T2靶体大，T4单层靶板耗功大于T2T2结构的双层靶板。表明靶板在砂石以相同速度和直径撞击下，靶板的分层比单层的抗撞击性能要差一些。
3.2 靶板叠层影响
为研究靶板在相同厚度条件下叠层顺序对其抗撞击性能的影响，设计了3种叠层顺序：T1T3、T2T2和T3T1。砂石直径为10 mm，速度为100 m/s，靶板直径为100 mm。表2为砂石撞击三种叠层靶板的仿真结果。
仿真结果表明，靶板的叠层顺序对靶体的抗撞击性能存在影响。由表2可以看出，当砂石以相同的初始条件撞击三种叠层靶体后，T1T3靶体剩余速度和剩余动能最小，然后依次为T2T2、T3T1靶体；T1T3靶体速度变化量和动能变化量最大，然后依次为T2T2、T3T1靶体。
三种靶体中T1T3靶体耗功最大，T2T2次之，T3T1最差。可以得出不同叠层顺序靶体的抗撞击性能由好到差的排序依次为：T1T3、T2T2、T3T1。
4 结论
利用有限元数值模拟研究方法，建立砂石撞击铝合金扰流板简化模型，揭示铝合金板分层数目及叠层顺序对铝合金板抗撞击特性的影响规律及机理。
通过数值仿真研究，可以发现：
1）同样初始条件下，双层靶板结构的抗撞击性能低于等厚度的单层靶板，靶板的分层削弱了其抗撞击性能。
2）同样初始条件下，靶板的叠层顺序对其抗撞击性能存在显著的影响。
参考文献：
[1]郝志军，史书俊，胡安林.飞机库消防安全[J].现代职业安全，2016（12）：7173.
[2]吴风波，肖海平，成永勤.浅析气象服务对民航运输业全过程决策的支持作用[J].广东气象， 2015， 37（1）：4751.
[3]尹冬梅，钱林方，等.叶片砂石撞击损伤的数值模擬与分析[J].南京理工大学报，2008，32（5）：536539.
[4]周胜田.航空发动机叶片疲劳的损伤力学研究及外物损伤影响[D].东北大学，2008.
[5]李达诚.典型材料抗鸟撞特性研究[D].哈尔滨工业大学，2015.
关键词：砂石；铝合金扰流板；撞击特性；数值仿真
The research on characteristics of the aircraft spoiler with impact of sandstone and other foreign objects
Jiang Ming Lu Mingjian Deng Yunfei
College of Aeronautical Engineering，Civil Aviation University of China Tianjin 300300
Abstract：The model of 2024T351 aerospace aluminum Lagrangian target impacted by SPH sandstone bullet was established by using ANSYSAUTODYN software， and the effects of target layer stratification and stacking on the impact resistance of the target were studied. The numerical simulation shows that for the same thickness target， the impact resistant of singlelayer target is stronger than the doublelayer target. The different stacking method has different impact resistance due to identical velocities of the sandstone.
Key words：Sandstone； Aluminium alloy spoilers； Impact characteristics； Numerical simulation
伴随我国民航事业的快速发展，飞机数量和航班次数显著增长[1]。飞机在起飞、滑行、降落过程中受到砂石等外来物撞击的事件时有发生，在砂石撞击飞机扰流板后，会引起扰流板的外形改变，影响飞机的操纵性，严重时甚至会导致飞机的失控，对飞行安全和航空公司运营带来威胁[2]，研究砂石对铝合金扰流板的冲击问题显得尤为重要。
近几年，国内外一些学者对外物撞击引发的损伤问题进行了研究，提供了一定的研究成果。
尹冬梅等[3]通过LSDYNA软件模拟了砂石撞击发动机叶片损伤的数值模拟与分析。仿真结果表明：砂石撞击速度越大，接触撞击力就越大，对叶片的损伤也越大；撞击位置越接近叶片尖部，叶根处的塑性硬化越强。
周胜田[4]通过实验与数值仿真对比分析的方法，对航空发动机叶片受到外来物撞击的损伤影响进行了研究。利用硬物颗粒撞击航空发动机的叶片前缘，研究不同应力幅值情况下，冲击能量与缺口深度的关系。研究结果表明，在低于一定应力幅值条件下，外来物撞击损伤可以忽略不计；当高于相应应力幅值时，外来物撞击大大降低了叶片的使用寿命。
根据研究現状的分析，利用有限元数值模拟研究方法，建立砂石撞击铝合金扰流板简化模型，揭示铝合金板分层及叠层顺序对铝合金板抗撞击特性的影响规律及机理。
1 数值仿真模型
1.1 砂石几何参数和材料参数
为消除靶板边界效应的影响，控制砂石直径与靶板直径比值为1：10不变。本文砂石形状为圆球，SPH粒子尺寸为0.5mm。文中砂石的材料参数设置与文献[3]保持一致。
1.2 靶板几何参数和材料参数
靶板总厚度为2 mm，半径长度与网格数比值为1，厚度与网格数比值为0.5。其中分层和叠层靶板之间接触方式为硬接触，即在接触面传递压力不受影响。靶板材料参数来自文献[5]，为防止网格畸变使运算停止，将靶板的侵蚀形式设为瞬时几何应变，值为1。用代码表示靶板结构，T1、T2、T3、T4分别表示厚度为0.5、1、1.5、2 mm 的靶板，并且T3T1表示1.5 mm板在前而0.5 mm 板在后组成的双层靶，其它依次类推。
1.3 几何模型
弹体采用SPH算法，是将连续的流体用相互作用的质点组来描述，各物质点上承载质量和速度等参量，通过求解质点组的动力学方程和跟踪每个质点的运动轨道，进而求得整个系统的力学行为。
对靶板施加边界条件，使其在撞击过程中保持外缘固支，图1为砂石和靶板几何模型。
2 砂石撞击铝合金板过程
图2为10 mm直径的砂石以300 m/s的速度撞击T4靶板的过程图，可以看出，砂石撞击过程时间很短，约60 μs。
砂石弹体撞击靶体过程大致可以分为三个阶段：圆球形弹体与靶体接触撞击时，靶体在受弹体撞击瞬间产生应力集中，会在高应力点形成微小的凹坑，弹体前端会沿外径方向挤压靶体材料，凹坑深度和区域逐渐增加，弹靶接触面积增加，如图 2 （a）所示。
当弹体撞击力大于靶体的强度极限，靶体被击穿，形成圆形扩孔并伴有明显的局部变形，如图 2（b）所示。弹体未完全穿过靶体时，靶体仍受到弹体挤压，致使扩孔增大，塑性变形增加，并伴随产生许多裂纹，中心破坏区域的靶体向后翻转，形成花瓣形开裂，如图 2（c）所示。由图2 （d）可以看出，弹体完全穿过靶体后靶体破坏严重，失效区域有很大的塑性变形。 3 数值仿真结果和分析
为研究砂石初始撞击条件和靶板几何结构对靶板撞击过程和撞击特性的影响，本文进行了相关系列的数值仿真计算，揭示了靶板分层、叠层顺序对靶板抗撞击特性的影响规律及机理。
3.1 靶板分层影响
为探究靶板相同厚度下分层对其抗撞击特性的影响，选取砂石直径为10 mm，速度为200 m/s，靶板直径为100 mm，结构为T4和T2T2。表1为砂石撞击不同结构靶体的仿真结果。
数值仿真研究表明，靶板的分层对靶体的抗撞击性能存在影响。从表1可知，当砂石以相同的初始条件撞击T4靶板后，其剩余速度和剩余动能均比撞击T2T2靶体小，速度变化量和动能变化量均比撞击T2T2靶体大，T4单层靶板耗功大于T2T2结构的双层靶板。表明靶板在砂石以相同速度和直径撞击下，靶板的分层比单层的抗撞击性能要差一些。
3.2 靶板叠层影响
为研究靶板在相同厚度条件下叠层顺序对其抗撞击性能的影响，设计了3种叠层顺序：T1T3、T2T2和T3T1。砂石直径为10 mm，速度为100 m/s，靶板直径为100 mm。表2为砂石撞击三种叠层靶板的仿真结果。
仿真结果表明，靶板的叠层顺序对靶体的抗撞击性能存在影响。由表2可以看出，当砂石以相同的初始条件撞击三种叠层靶体后，T1T3靶体剩余速度和剩余动能最小，然后依次为T2T2、T3T1靶体；T1T3靶体速度变化量和动能变化量最大，然后依次为T2T2、T3T1靶体。
三种靶体中T1T3靶体耗功最大，T2T2次之，T3T1最差。可以得出不同叠层顺序靶体的抗撞击性能由好到差的排序依次为：T1T3、T2T2、T3T1。
4 结论
利用有限元数值模拟研究方法，建立砂石撞击铝合金扰流板简化模型，揭示铝合金板分层数目及叠层顺序对铝合金板抗撞击特性的影响规律及机理。
通过数值仿真研究，可以发现：
1）同样初始条件下，双层靶板结构的抗撞击性能低于等厚度的单层靶板，靶板的分层削弱了其抗撞击性能。
2）同样初始条件下，靶板的叠层顺序对其抗撞击性能存在显著的影响。
参考文献：
[1]郝志军，史书俊，胡安林.飞机库消防安全[J].现代职业安全，2016（12）：7173.
[2]吴风波，肖海平，成永勤.浅析气象服务对民航运输业全过程决策的支持作用[J].广东气象， 2015， 37（1）：4751.
[3]尹冬梅，钱林方，等.叶片砂石撞击损伤的数值模擬与分析[J].南京理工大学报，2008，32（5）：536539.
[4]周胜田.航空发动机叶片疲劳的损伤力学研究及外物损伤影响[D].东北大学，2008.
[5]李达诚.典型材料抗鸟撞特性研究[D].哈尔滨工业大学，2015.