某型飞机平尾前缘抗鸟撞优化设计

进行了某型飞机部分平尾前缘结构的抗鸟撞优化设计。通过有限元分析对比研究了蒙皮厚度、翼肋个数、隔板对平尾前缘抗鸟撞性能的影响。从分析结果可以看出,增加隔板的方案对结构抗鸟撞性能的提高最明显。然后,进行了增加隔板的平尾前缘结构鸟撞试验,试验结果与模拟结果吻合良好,满足结构的抗鸟撞要求。     

民机典型前缘结构抗鸟撞分析研究

为保障飞行安全,CCAR25 部对民机结构抗鸟撞性能提出了严格的指令性要求,须对机翼前缘、平尾前缘和垂尾前缘等典型前缘结构进行鸟撞分析。鸟撞分析涉及到结构的动力学分析、鸟体的本构关系模拟、材料的高速非线性效应以及结构大变形等多方面因素的影响,相关的计算复杂,会耗费结构设计人员大量的精力和时间。通过采用经验公式和仿真分析方法对前缘结构抗鸟撞性能进行快速的分析,可达到对结构的抗鸟撞能力进行快速预估并从而指导设计的目的。     

民机典型前缘结构抗鸟撞分析研究

为保障飞行安全,CCAR25部对民机结构抗鸟撞性能提出了严格的指令性要求,须对机翼前缘、平尾前缘和垂尾前缘等典型前缘结构进行鸟撞分析。鸟撞分析涉及到结构的动力学分析、鸟体的本构关系模拟、材料的高速非线性效应以及结构大变形等多方面因素的影响,相关的计算复杂,会耗费结构设计人员大量的精力和时间。通过采用经验公式和仿真分析方法对前缘结构抗鸟撞性能进行快速的分析,可达到对结构的抗鸟撞能力进行快速预估并从而指导设计的目的。     

典型前缘结构抗鸟撞性能改进研究

 针对某典型前缘结构,研究了使用纤维金属层板(Fibre Metal Laminates,FMLs)蒙皮进行抗鸟撞设计的可行性。以显式动态冲击分析程序PAM-CRASH为平台,结合由鸟撞平板试验结果验证的鸟体本构模型参数,建立了鸟撞前缘结构数值模型。通过计算研究了使用不同蒙皮(铝合金、FMLs)的前缘结构在鸟撞作用下的变形破坏模式及吸能效果。结果表明：采用适当铺层的FMLs蒙皮可以有效地提高前缘结构的抗鸟撞性能。研究结论对飞机结构的抗鸟撞研究具有一定的参考价值。     

鸟撞载荷下铆接对机翼前缘加强结构的影响分析

为了提升飞机机翼前缘结构抵抗冲击的能力从而保护机翼内部结构及功能,工程中提出了各种前缘结构加强方案。而这些加强结构多为非整体结构件,需将加强结构与原结构组装起来,考虑到工艺性要求铆钉连接成为最主要的连接方式。虽然铆钉连接的方式操作简单费用较低,但该种连接方式不可避免地给飞机机翼前缘加强结构带来了一定的初始损伤,直接影响到了飞机机翼前缘结构的抗冲击能力,因而未考虑铆钉连接影响的加强结构模型,无法准确地反映结构在冲击载荷下的实际受载情况。创建了含铆钉的飞机机翼前缘加强结构模型,该模型建立了铆钉孔同时确定了被连接件间的连接方式,通过与试验结果的对比验证了该模型的有效性,含铆钉的飞机机翼前缘加强结构模型能较好地预测前缘结构遭受鸟撞冲击载荷下的损伤情况。     

全尺寸复合材料垂尾前缘抗鸟撞仿真与试验

基于Pam/crash软件,建立SPH鸟体模型,仿真分析了两种工况:芳纶与玻璃钢全尺寸复合材料垂尾前缘分别在3.6 kg鸟体以114 m/s速度冲击下的动力学特性;通过模拟与试验结果的对比,验证了仿真方法有效。结果表明:在鸟体与结构接触区域以及前缘与盒段连接区域,需要划分更为精细的网格以真实模拟实际情况;芳纶及玻璃钢前缘的抗鸟撞性能与蒙皮的具体铺层信息相关。仿真及试验方法对工程设计具有实际参考价值。     

采用流固耦合的实体元空心叶片鸟撞数值模拟

针对目前通用流固耦合算法在模拟实体元结构破坏上存在不足,以MSC.Dytran软件为平台,研究和验证了不考虑失效和考虑失效的实体元平板叶片流固耦合数值模拟方法;在此基础上,结合大涵道比航空发动机工作过程中较为常见且非常严重的鸟撞事故,建立了实体元空心叶片鸟撞瞬态动力学有限元模型并进行相应计算,结果表明:计算较好地模拟了叶片在遭受鸟体撞击后会产生巨大的瞬时冲击应力,以及叶片由此产生局部塑性变形.最后模拟了叶片遭受鸟撞发生失效的过程.      

民机机头复合材料风挡结构鸟撞分析

在鸟体撞击风挡结构过程中,鸟体与风挡结构撞击相对速度很大,呈现出流体特性,属于典型的流固耦合瞬态冲击动力学问题。首先针对文献中的鸟撞铝板试验采用任意的拉格朗日-欧拉(ALE)流固耦合方法进行了分析,对计算方法与鸟体模型进行了验证。然后建立了包括风挡玻璃、风挡骨架以及蒙皮在内的民机全尺寸风挡结构抗鸟撞动响应分析的有限元模型,进行了鸟撞数值模拟,其中风挡骨架与蒙皮采用复合材料。全尺寸的复合材料风挡骨架目前还没有应用到民机上,因此,对复合材料风挡结构的研究是很有意义的。     

宽弦空心风扇转子叶片鸟撞损伤数值仿真

为解决航空发动机宽弦空心风扇转子叶片抗鸟撞设计问题,对宽弦空心风扇转子叶片鸟撞损伤进行了数值仿真。采用光滑质点流体动力学（SPH）算法建立鸟体模型,采用J-C本构模型和失效模型定义材料冲击下动态性能,建立旋转状态下叶片鸟撞数值仿真方法,经过试验验证能够较准确预测叶片损伤。开展相同条件下鸟撞击宽弦空心和实心风扇转子叶片仿真,对比鸟撞击叶片过程、撞击时叶片叶尖最大轴向和径向变形、撞击后叶片永久变形,研究被鸟撞击后空心叶片相比实心叶片的损伤特征。结果表明：空心和实心叶片鸟撞击过程相同;空心叶片被鸟撞击后叶尖轴向和径向变形更小;空心叶片被鸟撞击后前缘卷边变形更严重,对风扇气动性能和稳定性影响更大;在结构设计时应适当增加前缘空心区域局部刚度,或者适当增大前缘实心区域范围,用于提高空心叶片的抗鸟撞能力。     

鸟撞工况下HCA动态拓扑优化整级叶片的数值模拟

航空领域中飞机发动机在满足抗鸟撞性能的前提下,实现轻量化是关键问题之一。针对航空发动机冷端风扇叶片,基于HCA算法的动态拓扑优化方法对叶片实现进一步减重,为了验证该动态优化方法的有效性,建立了鸟撞航空发动机整级叶片冲击动力学有限元模型,模拟受气动与离心载荷作用下高速稳定旋转的发动机风扇叶片遭受鸟体撞击的瞬态响应过程。基于LS-DYNA软件平台,对考虑了鸟撞的多工况、多约束条件下叶片的动态优化结果与优化前叶片的多项动态响应指标进行了对比分析,证明了HCA动态拓扑优化方法比传统叶片轻量化方法更为优秀,在满足适航条例强度要求的同时可使叶片减重比达到37.9%,论证了在叶片轻量化设计上基于HCA算法的动态拓扑优化方法的可行性与优越性。     

Damage sensitivity of a wing-type leading edge structure impacted by a bird

On the windward side of an aircraft, the components with higher probability of impact with birds are the wing-type leading edge structures, such as the wing and tail. A study on the damage sensitivity of a wing-type leading edge structure under bird strikes was presented in this paper. First, a bird strike test was carried out on a wing. The principles of the bird strike test equipment and method were introduced in detail, including the bird strike test system, bird projectile production process and data acquisition system. The dynamic strain measurement results, the high-speed camera videos, and the final deformation and damage morphology observations of the structure were obtained. Based on the coupled Smooth Particle Hydrodynamics (SPH) - Finite Element Method (FEM), the commercial software PAM-CRASH was used to simulate the process of a bird strike with the wing. The good agreement between the finite element simulation results and the experimental results shows that the calculation method and the numerical model presented in this paper were reasonable. On this basis, wing-type leading edge structures can be designed by adding triangular support. The bird strike resistances of an original structure and improved structure were studied by numerical simulation. The calculated results show that the improved wing-type leading edge structure is less damaged than the original structure under bird strike. The improved leading edge structure satisfied the anti-bird strike airworthiness requirements, as the thickness of the triangular support was 1.2 mm, and the weight of the structure was reduced by 0.87 kg compared with the original structure. This indicated that the bird strike resistance of the improved structure is better than that of the original structure, and the improved design of the wing-type leading edge structure presented in this paper is reasonable.     

Mass and performance optimization of an airplane wing leading edge structure against bird strike using Taguchi-based grey relational analysis

Collisions between birds and aircraft are one of the most dangerous threats to flight safety. In this study, smoothed particles hydrodynamics (SPH) method is used for simulating the bird strike to an airplane wing leading edge structure. In order to verify the model, first, experiment of bird strike to a flat aluminum plate is simulated, and then bird impact on an airplane wing lead-ing edge structure is investigated. After that, considering dimensions of wing internal structural components like ribs, skin and spar as design variables, we try to minimize structural mass and wing skin deformation simultaneously. To do this, bird strike simulations to 18 different wing structures are made based on Taguchi’s L18 factorial design of experiment. Then grey relational analysis is used to minimize structural mass and wing skin deformation due to the bird strike. The analysis of variance (ANOVA) is also applied and it is concluded that the most significant parameter for the performance of wing structure against impact is the skin thickness. Finally, a validation simu-lation is conducted under the optimal condition to show the improvement of performance of the wing structure.     

民用飞机方向舵抗鸟撞分析研究

民用飞机方向舵结构通常位于垂尾后部,通过连接铰链与垂直安定面后缘相连,并通过作动器驱动其偏转,从而为飞机提供偏航力矩。对民用飞机方向舵鸟撞相关适航条款要求进行了分析,明确了方向舵抗鸟撞需要满足的具体要求。在完成上述工作后,对某型民机方向舵的抗鸟撞性能进行了全面的评估。首先通过工程算法,初步评估了该方向舵不同偏角下的鸟体撞击力,并以此为依据筛选出了鸟撞的严酷工况,避免了大量计算方向舵不同偏角的鸟撞情况,从而大大降低了仿真分析的工作量。通过SPH方法,使用PAM-Crash软件对方向舵结构进行了抗鸟撞分析,得到了方向舵翼面本体结构的损伤情况、连接铰链的受载情况和方向舵作动器的受载情况,并以此为依据,完成了对方向舵抗鸟撞性能的完整评估。     

鸟撞飞机风挡动态响应数值模拟方法研究现状

总结了目前用于鸟撞飞机风挡动态响应的数值模拟方法,主要有解耦解法、耦合解法和光滑质点动力学法,其中耦合解法涉及接触-碰撞耦合解法和流固耦合解法。各种方法围绕鸟体（鸟撞载荷）的模拟和风挡的模拟,部分内容针对鸟撞击发动机叶片、雷达罩和垂直尾翼等,但其方法同样适用于飞机风挡,最后指出应进一步深入研究的内容。     

Glare层合板的抗鸟撞分析

飞机结构的抗鸟撞性能对于飞行安全有着直接的联系,鸟撞事故一旦发生,对飞机结构、设备的破坏作用往往极为严重。针对Glare层合板材料进行了抗鸟撞分析,利用有限元方法,采用显式碰撞动力分析软件PAM-CRASH,对四种不同纤维铺层角的Glare层合平板进行了抗鸟撞仿真分析,比较选取了最优的纤维铺层角;设计了全尺寸的机翼前缘模型,对4/3和3/2两种构型的Glare层合蒙皮进行了抗鸟撞仿真。结果表明4/3构型的Glare层合蒙皮的抗鸟撞效果最好,该构型将被进一步应用于机翼抗鸟撞试验件的设计中。     

民用飞机吊挂指形罩鸟撞分析

指形罩结构位于吊挂前缘,作为动力装置整流罩体的一部分,为吊挂及发动机提供气动外形,并为燃油、液压、电气、环控等系统管路提供保护和通路。指形罩的位置及功能决定了其结构必须满足鸟撞要求,承受鸟体撞击后不能影响飞机安全。通常采用鸟撞试验对指形罩结构抗鸟撞性能进行适航验证。为了降低适航验证周期和成本,一般通过鸟撞分析来降低取证试验的撞击点数量。介绍了一种吊挂指形罩鸟撞分析过程和方法,并对分析方法进行了工程试验验证,得到一种可靠的指形罩鸟撞分析方法,为类似的飞机整流结构的鸟撞分析提供了参考。