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結構材料，具有比強度高和抗腐蝕性能優異，因此在航空航天、船舶、兵器等領域的應用非常廣泛。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，由于機頭內部有機組人員和重要的系統設備，故需要對這些重要部位進行保護以避免產生災難性事故。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，又輕質減重的機頭壁板結構具有重要意義。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，在試驗中測量結構的位移和應變響應，試驗結果顯示鈦合金平板具有優異的抗沖擊性能。

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。鳥炮發射系統用于發射鳥彈，使其達到規定的速度，主要由氣罐、炮管、附屬設備和發射控制裝置組成。高壓氣罐是發射鳥彈的動力源，根據規定的鳥彈速度設定發射的壓力，待氣罐壓力達到預定值并穩定后，發射電磁閥打開，高壓氣體推動鳥彈在炮管滑行，并將其發射出去。測速系統利用鳥彈觸發激光測速系統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。試驗件上布置動態應變片和位移傳感器，測量試驗件上的動態響應。

鳥彈以120.78m/s的速度垂直撞擊到鈦板中心，鈦板僅產生變形。而在其他鋁板的試驗中，鋁板產生很大變形凹坑或破損，對比顯示了鈦板優異的抗沖擊性能。由于鳥撞高速瞬態的沖擊，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完整的記錄了數據，其他應變片皆被震斷而沒有測得數據。數值模擬中為了避免鳥體撞擊產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，其應變率硬化采用Johnson-Cook模型，夾具的槽鋼采用彈塑性本構，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據，建立了信心。