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。     

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。     

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.      

钛合金空心风扇叶片模拟鸟撞研究

针对某钛合金空心风扇叶片,根据适航鸟撞条款的要求,开展叶片静止状态撞击参数敏感性分析,包括中鸟撞击不同叶片高度、不同鸟撞速度、不同发动机转速下叶片应力应变分布和叶片变形程度,以及大鸟撞击不同叶片高度叶片应力应变分布和叶片变形程度,得到中鸟鸟撞最危险的工况和大鸟鸟撞最危险、次危险工况。开展了叶片静止状态下的中鸟最危险工况试验,试验后叶片无损伤。开展了叶片静止状态下的大鸟次危险工况试验,试验后叶片有损伤,但未断裂。两个试验与仿真结果吻合良好,研究可为空心风扇叶片强度设计验证和旋转状态下鸟撞试验提供支撑。     

材料参数对叶片鸟撞动响应影响数值模拟

基于鸟撞铝板的试验结果,用MSC.Dytran软件验证了计算模型的可行性。在此基础上,建立了鸟体正撞击平板叶片的有限元模型,计算了叶片的材料参数对平板叶片鸟撞动响应的影响。     

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。     

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。     

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。     

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。     

直升机主桨叶的鸟撞有限元数值模拟

以某型直升机主桨叶为例,使用瞬态动力学分析软件(MSC.Dytran),采用先进的任意拉格朗日-欧拉(ALE)流固耦合算法,进行鸟撞过程的数值模拟.模拟结果表明:撞击过程中的最大应力达到199MPa,没有超出桨叶材料的屈服极限.研究结果为桨叶的抗鸟撞损伤设计提供了参考.      

跨声速风扇叶片的静态气动弹性问题

使用时域的流固耦合数值计算方法,研究了跨声速风扇叶片在气动力和离心力共同作用下的静态气动弹性问题,分析了叶片在不同工况下的变形规律及叶片变形对整体气动性能的影响.NASA rotor 67的静态气动弹性计算说明气动力对叶片最大变形的贡献达13.07%, 而且叶片变形明显地改变了通道激波的位置和强度.宽弦空心跨声速风扇叶片的静态气动弹性计算说明叶片变形对总体气动效率的影响为0.15%~ 0.5%,其中气动力对变形贡献在叶片尖部的前缘可达41%,考虑气动力引起的变形使得该风扇的流量增大,气动特性线整体向右偏移.计算结果说明:气动力的非线性对跨声速风扇叶片静态变形问题有显著的影响,工程实践中从设计叶型到制造叶型的反扭过程应该采用流固耦合方法以得到更准确的叶型.      

无机/有机复合圆弧风挡抗鸟撞能力数值分析

利用非线性动力响应有限元分析程序(DYNA3D),对无机/有机复合圆弧风挡的设计方案的抗鸟撞能力进行了数值模拟分析.根据数值分析得到的应力、应变和位移等结果,采用3.5mmGlass+2.5mmPU+10PMMA结构的风挡可抵抗550km/h的鸟撞击.分析结果的可靠性得到后来试验结果的证实.     

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。