Page 99 - 《爆炸与冲击》2026年第3期

第 46 卷 张柱国，等： 泡沫铝夹芯结构抗鸟体冲击吸能机理及在飞机机头端框挡板中的应用 第 3 期

的大变形会造成网格的畸变，导致计算终止。SPH 法将物质离散为一定数量的可自由运动的质点，给出
这些质点的物质性质和初始条件，通过求解动力学方程得到最终的仿真结果。与其他方法不同，SPH 没
有特定的网格限制，可以解决网格畸变和不连续的问题。因此，它可以更准确地模拟鸟类撞击飞机结构
的流态行为。在 Pam-crash 中直接将有限元网格模型转换为 SPH 粒子模型，如图 13(b) 所示。对于光滑
颗粒，最小和最大平滑长度分别为 1 和 100 mm，黏度为 0.1，平滑长度与半径之比为 2.1，共 22 464 个
SPH 单元粒子。
2.2 初始速度和边界条件
根据相对运动原理，端框结构不动，即采用边固支的方式固定端框四周边缘节点的 6 个自由度，将
撞击速度施加在鸟体上。根据 CCAR-25-R4《运输类飞机适航标准》第 25.571 条规定的鸟撞速度为海平
面设计巡航速度 v ，赋予鸟体 180 m/s 的速度，撞击角度为垂直于挡板平面，仿真总时长为 30 ms，设定求
c
解器为 CRASH，进行显式（EXPLICIT）分析。在各部件连接情况设置中，整体端框结构的连接均采用不
带失效模式的粘接（tied）实现。在接触设置中，定义 SPH 鸟体粒子与挡板之间的接触为点-面接触，且主
面为整个前缘结构，从面为 SPH 鸟体粒子，对应 Pam-crash 中第 34 号接触方式。对端框结构设置了自接
触，在 Pam-crash 中对应 36 号接触类型，接触厚度分别为 7 和 1 mm。

3 结果分析与讨论

3.1 撞击响应的对比
基于中心点位冲击下的抗鸟撞能力，本文 表 2 不同构型和厚度的挡板参数
对所提出的夹芯挡板结构进行了减重优化设计， Table 2 Baffle parameters for different configurations
最终得到夹芯结构 B。该结构采用 2 mm 厚的 and thicknesses
2024-T3 铝合金作为上面板，0.5 mm 厚的 7075- 材料号 上面板 下面板 芯体 总质量/kg
T6 铝合金作为下面板，芯体材料为相对密度为 夹芯结构A 2024_5 7 075_0.5 0.2_15 25.97
0.1、厚度为 15 mm 的泡沫铝。优化过程中对比 夹芯结构B 2024_2 7 075_0.5 0.1_15 12.16
分析了表 2 中列出的多种不同构型及参数组合 夹芯结构C 7 075_2 7 075_0.5 0.1_15 12.16
的 结 构 方 案 ， 其 中 2 0 2 4 _ 2 表 示 上 面 板 采 用 加筋板 整体结构为2024-T3铝合金 26.26
2 mm 厚的 2024-T3 铝合金。需要指出的是，本

文未对夹芯结构 A 的应力水平进行优化，优化
重点主要集中于在满足抗鸟撞性能的前提下实 Stress/Pa
5.406×10 8
现结构的轻量化设计。 5.046×10 8
图 14 展示了夹芯结构 C 在鸟撞冲击下的 4.686×10 8
4.326×10 8
响应结果。该结构是 4 种挡板中唯一发生穿透 3.966×10 8
3.606×10 8
失效的结构。尽管其总质量与结构 B 相同，但结 3.246×10 8
构 C 采用了刚性更高的 7 075-T6 铝合金作为上 2.886×10 8
2.526×10 8
面 板 ， 而 结 构 B 的 上 面 板 材 料 为 塑 性 更 优 的 2.166×10 8
1.806×10 8
2024-T3 铝合金。这一结果在一定程度上表明， 1.446×10 8
在鸟撞这类软体冲击载荷下，塑性材料作为上面 1.086×10 8
7.256×10 7
板有助于扩大泡沫铝芯体的受压面积，从而提升 3.655×10 7
能量吸收效率，增强结构的防护性能。由于夹芯 5.452×10 5
结构 C 发生了贯穿破坏，本文不再对其能量吸收
机制进行分析。
图 15 所示分别为原加筋板结构和 A、B 两 图 14 夹芯结构 C 的应力云图
种 泡 沫 铝 夹 芯 挡 板 结 构 受 鸟 撞 （ 鸟 体 速 度 Fig. 14 Stress contour diagram of sandwich structure C

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