用SPH和有限元方法研究鸟撞飞机风挡问题

鸟与飞行中的飞机相撞是飞机结构损坏的重要因素,严重时会引发机毁人亡的灾难性事故。对高速低空飞行的军用飞机而言,风挡部分抗鸟撞的研究对保证飞行安全尤其重要。基于飞机圆弧风挡受鸟体撞击的实验观察,建立了国产某型军用飞机圆弧风挡及鸟体的计算模型,采用LS-DYNA3D中有限元和光滑粒子流体动力学(SPH)耦合的数值分析方法,对某飞机圆弧风挡受鸟体撞击的过程进行了数值模拟。计算结果得到了风挡结构的变形、位移和应变等几方面的数据,与实验结果基本吻合。同时,给出了500～650km/h速度范围内的撞击力和应力时程曲线、风挡发生破坏的临界撞速、圆弧风挡经受鸟体撞击时发生破坏的可能位置及其破坏方式。最后,与鸟体采用任意拉格朗日(ALE)和无网格伽辽金方法(EFG)进行了对比,验证了SPH方法在分析鸟撞问题中的优越性。研究结果为风挡的安全设计和研制新机型提供了有价值的数据。     

鸟撞风挡问题分析方法研究

在鸟体撞击风挡结构过程中,鸟体与风挡相对撞击速度非常大,是飞机结构损伤的重要因素,严重时会引发机毁人亡的灾难性事故。本文基于鸟撞风挡问题,采用对比分析的方法,对目前鸟撞风挡问题的地面试验法、工程计算法及有限元仿真法进行了详细介绍,比较了不同方法的适用条件、范围及其优劣；最后选取某飞机风挡层合玻璃作为研究对象,采用有限元仿真法,建立了风挡鸟撞模型,利用任意拉格朗日欧拉耦合法(ALE)完成了相关分析,得到了鸟撞风挡的变形及其速度、加速度等参数,通过比较分析结果,为飞机风挡设计提供参考。     

直升机风挡及附属结构抗鸟撞性能分析

建立直升机前机身风挡及附属框架有限元模型,根据鸟体材料特性,建立了基于Lagrange元的鸟体有限元模型。考虑撞击风挡框架及玻璃中间部位两种工况,利用基于多学科的MD Nastran显式非线性方法,设置鸟体与撞击部位的接触方式及撞击时间,并求得撞击过程的时间步长,分析每个步长下风挡玻璃及附属结构的动态响应,绘制它们的最大应力及变形变化曲线,对比设计要求,最后得出:风挡玻璃及附属结构满足抗鸟撞设计要求。     

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。     

飞机圆弧风挡鸟撞动响应分析

采用等效动载荷法对某机圆弧风挡进行鸟撞动响应分析。着重考虑了应变率对透明件材料性能的影响和几何非线性对刚度矩阵的影响,并将计算结果与全尺寸鸟撞试验结果进行比较。得出了风挡位移在鸟撞击过程中的变化规律。结果表明:应变率对位移、应变影响较大,几何非线性对飞机风挡鸟撞动响应分析结果的影响不可忽略。     

基于LS-DYNA的Lagrange网格与SPH鸟撞分析对比研究

分别采用Lagrange网格和SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics,光滑粒子流体动力学法)模拟鸟体进行风挡抗鸟撞性能对比分析,表明SPH分析得出的结果与传统的Lagrange网格方法得出的结果以及试验实测结果基本一致,为分析动力学大变形问题提供了更多的途径.     

飞机风挡鸟撞动响应分析方法研究

建立了鸟体模型和风挡玻璃破坏准则,形成了一套完整的风挡鸟撞动响应分析方法。并对某型号风挡进行了鸟撞动响应分析,得出了鸟的运动轨迹和风挡的位移、应力、应变响应以及风挡玻璃的鸟撞临界速度,经与试验结果比较,两者吻合较好。     

基于abaqus的SPH算法鸟撞分析研究

本文采用abaqus的SPH算法进行了风挡鸟撞性能分析研究。分析结果表明,基于abaqus的SPH算法得到的分析结果与试验结果趋势一致,风挡鸟撞临界速度与试验结果一致。     

基于可靠性的飞机风挡抗鸟撞优化设计

传统的飞机风挡设计通常在确定的工况下进行,未能充分考虑实际鸟撞风挡过程中不确定性因素的影响,导致飞机鸟撞风挡的故障多发。综合考虑鸟撞飞机风挡过程中鸟体材料参数、质量、撞击速度等不确定因素的影响,以飞机风挡抗鸟撞的可靠度为约束,风挡质量为目标,基于双循环方法和近似技术建立了风挡抗鸟撞可靠性优化设计系统,利用一阶矩法进行可靠性分析,对某飞机风挡进行了基于可靠性的优化设计。实例分析证明所建风挡抗鸟撞可靠性优化设计系统可行有效。     

蜂窝夹芯雷达罩抗鸟撞冲击性能仿真分析

在雷达天线罩抗鸟撞冲击响应有限元分析中,为了有效克服有限单元法在模拟鸟体局部大变形计算中的不稳定性以及更好地模拟鸟体铺展、飞溅效果并提高鸟体与天线罩接触区域的计算精度,需要采用FEM-SPH耦合方法模拟鸟体高速撞击天线罩的动态力学响应过程。文章分别采用FEM、SPH和FEM-SPH耦合方法对1.8 Kg的鸟体以150 m/s的相对速度撞击天线罩三明治夹芯结构的不同位置开展了有限元仿真研究。仿真结果表明,FEM-SPH耦合方法能够充分发挥FEM法和SPH法各自的优势,能更精细地描述鸟体撞击到天线罩上的变形、失效以及铺展过程。进一步研究发现,泡沫铝夹芯层材料在吸能方面起着主要作用,且鸟撞位置对天线罩的整体变形具有显著影响,鸟撞最危险位置发生在雷达天线罩正面中心靠下位置,此时最大位移为123.5 mm,为上部位置最大位移值的1.8倍。     

Design of aircraft structures against threat of bird strikes

In this paper, a method to design bird-strike-resistant aircraft structures is presented and illustrated through examples. The focus is on bird strike experiments and simulations. The explicit finite element software PAM-CRASH is employed to conduct bird strike simulations, and a coupled Smooth Particles Hydrodynamic (SPH) and Finite Element (FE) method is used to simulate the interaction between a bird and a target structure. The SPH method is explained, and an SPH bird model is established. Constitutive models for various structural materials, such as aluminum alloys, composite materials, honeycomb, and foam materials that are used in aircraft structures, are presented, and model parameters are identified by conducting various material tests. Good agreements between simulation results and experimental data suggest that the numerical model is capable of predicting the dynamic responses of various aircraft structures under a bird strike, and numerical simulation can be used as a tool to design bird-strike-resistant aircraft structures.     

鸟撞飞机风挡夹层结构数值分析

用非线性显式动力分析软件LS-DYNA建立了风挡夹层结构有限元模型,鸟体用ALE格式和与应变率相关的随动硬化材料模型,风挡夹层用Lagrange格式和双线性随动硬化材料模型,对鸟撞击风挡进行了数值计算,分析了夹层结构应力分布,为飞机风挡设计提供理论依据.     

A numerical model for bird strike on sidewall structure of an aircraft nose

In order to examine the potential of using the coupled smooth particles hydrodynamic(SPH) and finite element(FE) method to predict the dynamic responses of aircraft structures in bird strike events, bird-strike tests on the sidewall structure of an aircraft nose are carried out and numerically simulated. The bird is modeled with SPH and described by the Murnaghan equation of state, while the structure is modeled with finite elements. A coupled SPH–FE method is developed to simulate the bird-strike tests and a numerical model is established using a commercial software PAM-CRASH. The bird model shows no signs of instability and correctly modeled the break-up of the bird into particles. Finally the dynamic response such as strains in the skin is simulated and compared with test results, and the simulated deformation and fracture process of the sidewall structure is compared with images recorded by a high speed camera. Good agreement between the simulation results and test data indicates that the coupled SPH–FE method can provide a very powerful tool in predicting the dynamic responses of aircraft structures in events of bird strike.     

Numerical simulation of a rotary engine primary compressor impacted by bird

In order to examine the process of a rotary engine primary compressor impacted by bird, a finite element model of a bird impacted on plate is developed with the explicit code PAM-CRASH. The smooth particles hydrodynamic (SPH) method is used to simulate the bird because of the SPH method showing no signs of instability and correctly modeling the breaking-up of the bird into particles. Good agreement between the simulation results and experimental results indicates that the numerical method of bird strike used in the present paper is reasonable. Then a rotary engine primary compressor impacted by three different configurations bird named straight-ended cylinder bird, quadrangular bird, hemispherical-ended bird are investigated using the numerical simulation method. It is found that the whole process of bird strike sustained about 3.5 ms and the bird is slashed by blade during the strike. The geometry configuration of bird affected the displacement and von Mises stress of some blades severely, just because the breaking bird’s mass is affected by the bird’s configuration. In the event of bird striking on the site of"up"some blades may develop plastic deformation and it is very adverse for the safety work of the engine.     

航空发动机第1级风扇叶片鸟撞研究

针对目前对鸟体撞击风扇部位影响分析不全的问题,计算了鸟体飞向叶片不同部位和穿过支板间隙的概率,在此基础上分析了鸟体撞击旋转状态第1级风扇叶片不同位置的概率。基于数值模拟技术,建立了鸟体撞击叶片的有限元模型,模拟鸟撞击风扇叶片叶尖、叶中、叶根部位,在分析引起叶片不同位置塑性变形的基础上,进一步确定了风扇损伤最大的位置。针对4种不同的鸟体撞击速度,对发动机第1级风扇叶片鸟体撞击部位损伤进行了分析。得到鸟体穿过叶尖部位支板间隙的概率约为50%,撞击叶尖部位概率约为16.7%,是最容易撞击的部位,受到的损伤也较大。计算结果可以为确定发动机风扇叶片鸟体撞击损伤提供参考。     

基于LS-DYNA和HyperMesh的某型飞机垂尾翼尖前缘鸟撞分析

飞机的鸟撞事故是一种突发性和多发性的飞行事故,轻则飞机受损,重则机毁人亡.在飞机设计过程中,为了通过严格的适航条例,需要进行大量的鸟撞试验.随着有限元理论和计算机软、硬件的发展,利用计算机仿真技术进行飞机结构的抗鸟撞设计分析可以减少试验数量或者加强试验针对性,提高试验效率.基于LS-DYNA软件和前处理软件HyperMesh,利用光滑粒子法（SPH）与有限元耦合算法,采用带失效模型的短梁单元模拟铆钉失效,对某型飞机垂尾前缘进行鸟撞分析.通过对应力和位移结果的分析以及对沙漏能的有效控制,表明本文提出的建模方法具有满足工程要求的准确性,符合适航条例的规定.     

某大型民用客机机头顶部板结构抗鸟撞性能优化研究

对弹性动力学的基本理论以及SPH(光滑粒子流体动力学)鸟体模型进行了介绍,并结合相关材料性能参数,以显式动态冲击有限元软件PAM-CRASH为平台,开展某大型民用客机机头顶部板结构抗鸟撞性能验证工作。并设计两种金属玻璃纤维材料作为优化材料,在不增加结构总重量的基础上通过比较结构吸能效果对材料铺层进行优化,选取出抗鸟撞性能最佳的材料供工程设计参考。     

飞机风挡鸟撞击有限元数值模拟

应用接触碰撞有限元方法建立鸟撞击风挡三维分析模型,采用具有失效模型的率型材料本构模型,模拟飞机风挡鸟撞击动响应过程,给出两个风挡鸟撞的计算实例,并例结果说明了接触碰撞有限元方法的有效性,并且可更真实地揭示风挡结构被鸟冲击变形破坏的机理。     

鸟体撞击结构过程的相似律研究(英文)

With dimensional analysis and similarity theory, the model similarity law of aircraft structures trader bird impact load is investigated. Numerical calculations by means of nonlinear dynamic software ANSYS/LS-DYNA are conducted on the finite element models constructed with different scaling factors. The influence of strain rate on the model similarity law is found to be dependent on the strain rate sensitivity of materials and scale factors. Specifically, materials that are not sensitive to strain rate obey the model similarity law in the bird impact process. The conclusions obtained are supposed to provide a theoretical basis for the experimental work of bird impact on aircraft structure.