飛機翼面結構抗鳥撞設計研究

談言朋

摘 要：首先，文章針對抗鳥撞的研究活動，提出了抗鳥撞設計的計算模型，并分別對鳥體及結構的幾何模型及材料參數設置進行了說明，提供了相應的計算公式；接下來，又針對有限元模型的建立，提供了適合研究鳥撞的SPH方法，同時闡述了網格劃分及邊界條件處理；最后，則在模擬結果的基礎上展開了討論，分析了撞擊過程中各個結構所起到的作用。

關鍵詞：翼面結構；抗鳥撞設計；SPH方法

前言

隨著經濟的快速發展，民用飛機正在被大量使用，但隨之也引發了大量的問題。飛機在迎風飛行狀態中，極易遭受鳥體撞擊，尤其是飛機的翼面結構、機翼前緣等部位。如果這些結構遭到破壞，就無法保障飛機的安全飛行。因此，在飛機一翼面結構的設計上，不僅應符合空氣動力學的相關標準，同時還應充分考慮鳥撞的發生，從而提升結構的強度。但如果一味對強度進行提升，就會使結構重量增加，不利于飛機的性能維護，同時增加成本。因此，為了使這一矛盾得以圓滿地解決，就必須更多地運用新材料、新設計，最大程度地保證飛機的安全性能。

1 抗鳥撞設計的計算模型

1.1 鳥體及結構的幾何模型

通過建立鳥體的幾何模型，可知在整個縫翼結構中，分別由前后蒙皮、肋、梁及其他角材連接構成。在計算過程中，前蒙皮將被視為均勻體，設定值為1.6mm；肋厚度為1.02mm；梁的厚度為1.8mm。在鳥體形狀上，采用實心的圓柱體進行模擬，兩端均設為半球狀，長徑比為2：1，重量為1.8kg，密度為900kg/m3，由此可以確定，圓柱直徑，即半球體的直徑為115mm[1]。

1.2材料參數設置

在本次研究中，假設鳥體沖擊速度恒定，設為150m/s，同時利用SPH來建構鳥體模型，可得到如下的本構關系：

P=P0+B{{■}γ-1} （1）

對正撞擊，B=1.12×108Pa，γ=6.77；發生撞擊時，如果角度恰在90°-45°之間，則B=1.28×108Pa，γ=7.98。本次研究中將遵循這一情況，即取B=1.28×108Pa，γ=7.98。材質選擇上，采用鋁合金2024完成縫翼加工。本次研究的計算過程，將以Johnson-cook的屈服模型為標準，并從中得出如下的本構關系：

σ=[A+Bεn][1+Cln■]{1-{■}m} （2）

在材料失效方式設定上，體現為最大等效應變失效。即當ε≥ εf時，確定材料已經失效，單元將被刪除，研究中取εf=0.19。針對連接部位的模擬，利用了鉚釘完成連接。在有限元模型設計中，PAM-CRSAH采用PLANK進行模擬，在模擬過程中判斷鉚釘失效，并認為是在剪切，拉伸行為所產生的耦合力作用下，導致鉚釘失效[2]。

2 有限元模型

2.1 SPH方法

在流體力學的應用領域，SPH方法是一種新型的計算方法，以粒子方法為理論基礎進行研究。由于沒有網格，剔除了因界面形變程度過大的誤差因素，因而不會引起計算溢出問題[3]。對于鳥撞問題，通常有如下具體表現：第一，沖擊載荷具有瞬時性；第二，屬于柔性撞擊；第三，形變程度較明顯；第四，材料具有非線性的特點。由于鳥撞具有上述特點，因而在有限元模型中進行計算時，網格往往發生畸變，最終使計算過程無法繼續。而在SPH方法中，則無需網格，因而對扭曲變形有良好的抵抗作用，能夠克服有限元計算中的不足之處。針對鳥撞問題，需要進行數值模擬時，通過SPH方法來模擬鳥體，能夠取得十分理想的效果。

2.2 網格劃分及邊界條件處理

根據鳥體的飛行速度及方向，設定縫翼夾角為α。模型中，使用了SPH方法對鳥體進行模擬，模型由5440個粒子構成，在縫翼結構上，則使用了四節點殼單元S4R，可知共劃分為82076個殼單元，而整個模型中，共包括686個PLANK單元。

3 模擬結果及討論

鳥撞開始時，在沖擊力作用下，蒙皮出現凹陷，同時向四周擴展。可以看出，因為缺少鉚釘的束縛，翼梢和翼根部位的凹陷程度最為明顯；而當沖擊結束時，蒙皮上會留下一個塑性變形區，規模約為970mm×180mm。4.05ms時，沖擊點的位移幅度最大，位移值達到了164.01mm。在沖擊過程中，鳥體撞擊的區域部分，肋部位的塑性變形幅度較大[4]。其中，接近沖擊點的部位，鉚釘發生失效，脫離了梁連接，自肋直至梁上，角材完全脫落。沖擊中，未發生單元失效，但仍然出現了較大的形變。

4 結束語

文章通過對飛機翼面結構抗鳥撞設計進行深入的研究和分析，指出了鳥撞事故給飛機安全性能帶來的不利影響。為了在降低撞擊傷害的同時，維持飛機的重量和性能，就應當積極研究新的翼面設計。文章提出了抗鳥撞設計的計算模型，并通過有限元模型完成模擬和計算，并在計算的基礎上，對模擬結果進行了分析和討論，得知前蒙皮可消耗大部分能量，能夠在減輕鳥撞危害中發揮重要的作用。

參考文獻

[1]羅楚養，益小蘇，李偉東，等.整體成型復合材料模型機翼設計、制造與驗證[J].航空材料學報，2011，21（4）：321-322.

[2]張洪濤，趙美英，任磊，等.SPH和FEM耦合方法分析機翼前緣鳥撞的響應問題[J].科學技術與工程，2013，20（7）：217-218.

[3]萬小朋，龔倫，趙美英，等.基于ANSYS/LS-DYNA的飛機機翼前緣抗鳥撞分析[J].西北工業大學學報，2014，16（2）：165-166.

[4]張科施，韓忠華，李為吉，等.基于近似技術的高亞聲速運輸機機翼氣動/結構優化設計[J].航空學報，2012，16（5）：247-248.