基于流固耦合的实体元空心叶片鸟撞数值模拟

针对通用流固耦合算法在模拟实体元结构破坏上的不足,以MSC.DYTRAN软件为平台,研究了不考虑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,建立了实体元空心叶片鸟撞瞬态动力学有限元模型,计算分析了叶片在稳定旋转状态下遭受不同密度、长度、半径及速度鸟体撞击下的叶片应力的瞬态响应,计算表明：上述参数值增加均会增大叶片的应力峰值,并且对应力峰值的影响都不是线性的。最后模拟了叶片的失效过程。     

实体元空心叶片鸟撞流固耦合 研究及数值模拟

针对大涵道比航空发动机工作过程中常见的鸟撞问题,基于MSC.Dytran软件,研究了实体元平板鸟撞流固耦合数值模拟方法;在此基础上,建立了鸟撞实体元空心叶片转子级有限元模型,模拟了叶片遭受鸟撞发生失效的过程,并进行相应计算。结果表明:鸟体密度、叶片的屈服应力和硬化模量对叶片初始撞击应力响应峰值的影响较大,且屈服应力和硬化模量的增加分别会提高和减小恒定流动的应力峰值;鸟体体积模量对叶片应力响应的影响较小;叶片的弹性模量的增加对叶片初始撞击应力响应峰值的影响较小,但会显著提高恒定流动的应力峰值。     

采用流固耦合方法的整级叶片鸟撞击数值模拟

利用MSC.DYTRAN软件建立了鸟撞航空发动机叶片转子级瞬态动力学有限元模型,采用流固耦合算法,模拟受气动和离心载荷作用并稳定旋转的发动机转子叶片,遭受不同鸟体撞击的瞬态响应过程.计算结果表明:鸟体撞击会使叶片产生巨大的瞬时冲击应力;鸟体速度、密度和尺寸的增加,将迅速增加叶片的冲击应力峰值,当叶片硬化和变形能力达到充分发展后,冲击应力峰值的增加速度会变慢;同时,叶片材料静态硬化模量的增加也会提高冲击应力峰值,而静态屈服强度的增加则会减小冲击峰的作用时间.最后还进一步模拟了鸟撞使叶片发生失效破坏的过程.      

鸟撞作用下的叶片丢失及包容数值模拟

利用MSC软件,建立了鸟撞航空发动机叶片转子级的有限元模型,采用流固耦合及接触算法,分析了鸟撞导致叶片破裂丢失以及机匣包容的过程,模拟了机匣结构特性差异及其影响.计算结果表明,质量(动能)较大的整片叶片丢失容易击穿机匣,并可能引起新的叶片丢失及包容性问题(二次损伤);而部分叶片断裂丢失的影响较小,一般不会击穿机匣,也难以引发二次损伤.整个过程复杂多变,运动、变形、破坏及能量交换等多因素并存.      

含鸟撞变形叶片的压气机气动性能数值模拟

为研究受到鸟撞前后压气机气动性能的变化，提出了鸟撞叶片结构-气动分析几何模型的转化流程，基于NASA Rotor37 转子得到了鸟撞变形叶片几何模型，分别建立了鸟撞前后的全通道气动性能CFD计算分析模型，在设计转速下开展了全3维黏性 流场数值模拟，并与Rotor37转子部件气动性能试验数据进行了对比分析。结果表明：模拟结果与试验结果非常接近，证明了该数 值模拟方法有效；鸟撞后叶片变形区域攻角增大导致的局部气流分离及并发的气流低速流动的耦合是转子气动性能恶化与转子 进入失稳工况的主要原因，含鸟撞变形叶片的转子压比、效率等气动性能参数明显降低，稳定工作边界明显缩小。所发展的气动 性能数值模拟方法与流程可有效地预估含变形叶片的压气机稳态气动性能。     

某夹芯结构抗鸟撞分析与设计

 为了对某飞机中的挡板结构进行优化设计,以PAM-CRASH显式有限元分析软件作为平台,对某飞机中的蜂窝夹芯挡板结构地面抗鸟撞试验过程进行了数值仿真分析,并将挡板结构破坏失效的数值模拟结果与试验结果进行了对比,二者的一致性表明了抗鸟撞计算方法的合理性.在此基础上对原挡板结构设计进行改进,并利用鸟撞计算方法考核其抗鸟撞性能.最后,对改进结构进行了地面鸟撞试验.试验结果表明改进结构能够满足抗鸟撞设计要求,表明了设计方法的合理性,为飞机结构抗鸟撞设计提供了一定的技术支持.     

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。     

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。     

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。     

复合材料风扇叶片鸟撞损伤的精细化分析方法

为了研究复合材料风扇叶片鸟撞损伤机理并指导研发设计,提出一种鸟撞复合材料风扇叶片的精细化分析方法。建立 了包含铺层信息的复合材料风扇叶片精细化有限元模型,进行中鸟撞击工况的数值计算,基于ANSYS-Workbench软件的自动化 脚本和MATLAB程序提取铺层有限元结果数据进行失效分析,通过Tecplot实现结果的可视化并结合叶片冲击响应进行叶片损伤 分析。结果表明：叶片的冲击响应除周向弯曲、轴向弯曲、扭转以外,在伸根段以上部分还包含高阶模态成分;叶片内部失效明显, 叶片外表可见损伤较少;在伸根段和榫头内部50%弦长位置出现明显分层,发生基体开裂的铺层较多;相同角度铺层的纤维失效 和基体失效位置及演化规律相似,少量铺层在高阶模态影响下,在特殊位置失效;±45°铺层在伸根段前缘附近出现显著纤维拉伸 失效,该位置为叶片的鸟撞薄弱点。     

多欧拉域耦合法在平尾鸟撞中的应用

鸟撞是威胁航空安全的重要因素之一。目前的研究多是对单一试件或结构的一次性鸟撞，而对鸟体穿透撞击部位后，对其他结构造成二次冲击的研究较少。为了研究这种问题，基于流固耦合算法，建立了多欧拉域耦合的某直升机平尾全尺寸模型。在考虑空气影响的前提下，详细分析了鸟撞平尾过程、前缘和前梁的损伤形式、平尾的位移响应、鸟撞载荷规律以及冲击载荷对平尾根部结构的影响，并与试验结果进行了对比。研究表明：鸟体在穿透前缘时未发生解体，其对前梁的二次冲击载荷同样很高，平尾结构设计需要考虑鸟撞是否会造成平尾根部断裂，鸟撞载荷具有阶跃函数的特点；结构响应时间对比冲击载荷有明显的滞后效应。     

发动机一级转子抗鸟撞试验与数值模拟研究

鸟撞发动机在鸟撞事故中最容易造成飞机损坏失事的情况,为了研究发动机一级压气机转子抗鸟撞适航性能,对发动机转子在工作状态下进行鸟撞试验,鸟体质量为1 000 g,撞击速度为195 m/s,发动机一级转子转速为8 525 r/min;基于显式碰撞动力分析软件PAM-CRASH 建立相应的叶片鸟撞数值计算模型,通过与试验结果的对比来验证本文计算模型的合理性;根据发动机适航条例分析不同工况下发动机一级转子抗鸟撞性能。结果表明：大鸟撞击相比于中鸟鸟群和小鸟鸟群,对于叶片的撞击结果更加恶劣;叶尖位置撞击会引起叶尖部位的大变形,叶根和叶中位置撞击会引起叶片根部较大的集中应力,导致叶片断裂。     

Numerical simulation of a UAV impacting engine fan blades

A 3D digital model of a small Unmanned Aerial Vehicle (UAV) is obtained by using the method of scanning reverse modeling and joint mapping. A numerical simulation of a small UAV strikes on rotary engine blades, presented in this paper, was performed with a Transient Nonlinear Finite Element code PAM-CRASH software. A test of motor strike on plate was developed and the dynamic response of the plate were obtained to validate the numerical simulation method of a UAV strike on blades. Based on this, dynamic damage response caused by UAV on the engine blades were studied. It is indicated that the impact process between the UAV and a single blade can be divided into two typical stages: cutting and impact. Cutting mainly leads to the failure of the leading edge material, and impact mainly leads to the plastic deformation of the blade. At the same time, it is compared with the damage impacted by bird with the same mass. For the same mass of bird and UAV, the damage caused by UAV striking fan blade is more serious, and 1.345 kg UAV striking fan blade of typical civil aviation engine is enough to cause damage to flight safety.     

航空发动机宽弦风扇叶片鸟撞损伤模型标定

为建立航空发动机风扇叶片抗鸟撞载荷能力的量化预测方法,针对特定的航空发动机宽弦风扇叶片设计,依据发动机在典型工作状态下的吸鸟速度、角度等撞击参数开展叶片鸟撞试验,采用显式动力学数值仿真方法,建立叶片鸟撞试验仿真分析模型,并通过对模型中叶片材料参数、鸟体本构模型参数、鸟与叶片耦合接触参数进行敏感度分析,对模型进行标定.结果表明,标定后的鸟撞分析模型所预测的叶片损伤模式与试验结果一致,预测的损伤位置与试验测量结果误差小于10%.      

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.     

载荷与响应耦合下叶片鸟撞击响应分析

分析飞鸟与航空发动机叶片的撞击损伤时,需要准确预估叶片的瞬态响应。其中叶片的变形会影响到撞击载荷的大小与分布,从而影响到叶片的响应。本文提出一种简单有效的计算方法,考虑了上述耦合效应,并以模型叶片为例,分析了它对叶片响应的影响程度,为工程实际应用积累了经验。     

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。