某型民機風擋結構抗鳥撞性能分析

金日浩

【摘 要】運用LS-DYNA軟件的顯式中心差分法求解器進行了大規模數值計算，考察了風擋結構抗鳥撞特性，數值分析結果對于易受鳥撞的部位有一定的工程價值，為結構的鳥撞地面模型試驗驗證提供有力技術支持。

【關鍵詞】鳥撞；風擋；有限元分析

0 引言

飛機在飛行運營中會受到外部環境的種種威脅，其中在運營中由鳥撞引起的問題長期以來受到研究人員的關注。在CCAR-25中，對于風擋的抗鳥撞性能提出了明確的要求：風擋結構在受到1.8公斤重的鳥的撞擊后能夠完成飛行。飛機與鳥沿著飛機飛行航跡的相對速度取海平面VC或2450米（8000英尺）0.85VC，兩者中的較嚴重者[1]。

本文針對某型民機的風擋結構，運用有限元分析對風擋結構的抗鳥撞性能進行評估。

1 數值計算模型

1.1 鳥體模型

在鳥撞模擬中，通常采用中間為圓柱體，兩端為半球體的膠囊型結構來模擬鳥體形狀，鳥體密度為為0.9～0.95g/cm3，鳥體質量為1.81kg，速度為125m/s，具體尺寸見圖1。

由于鳥體在撞擊過程中變形極大，會出現鳥體四濺的狀況。為了避免數值計算困難，采用SPH粒子技術來建立鳥體模型，粒子數為35808個。采用帶失效應變的彈塑性流體動力學本構模型模擬鳥體材料，具體參數見文獻[2]。

1.2 風擋模型

在大型問題的數值模擬計算中，一般采用殼單元來模擬結構。選用殼單元可以有效的降低求解的規模，在保證計算精度的前提下節省計算時間。

在文獻[3]中考察了不同的殼單元尺度對于有限元計算精度的影響。本文采用的殼單元尺寸為5mm。

本文計算的風擋結構包括：機頭蒙皮、風擋玻璃、風擋骨架及頂部縱向加強結構等。風擋玻璃采用3+2的結構形式，總厚度為28.5mm。

風擋有限元模型中除風擋玻璃用體單元建模外，其它構件（如蒙皮等）均采用殼單元建模。殼單元網格大小為5mm，體單元在長度和寬度方向的尺寸大小為6mm，厚度方向的尺寸大小與結構的實際厚度有關，共計殼單元844139個，體單元269208個。

風擋玻璃采用選用彈脆性力學模型來描述玻璃的本構關系，失效應變為0.1%，屈服應力為68MPa。

鋁合金結構采用Johnson -Cook動力學本構模型，具體參數見文獻[3]。

1.3 邊界條件

結構邊界條件設置包括：風擋結構的位移約束設置，構件間可能接觸條件的設置等。按照邊界約束偏強的理念對風擋結構的框架采用三個方向的位移和轉角約束設置鳥體與結構間采用侵蝕點面接觸，模擬鳥體侵蝕穿透。對于相互之間存在接觸的各構件之間采用自動面面接觸，模擬可能存在的面面接觸。鉚釘采用了LS-DYNA軟件中提供的tiebreak型節點斷開強度模型，該模型結合了鉚釘的拉伸與剪切。

其中NFLF為拉伸斷裂強度，SFLF為剪切斷裂強度，NEN、MEN為模型指數；fn與fs分別表示兩“釘扎”節點間的拉力與剪力。在本文的有限元數值模擬中鉚釘的直徑4.75mm。拉伸強度NFLF按鉚釘名義面積乘以標稱材料強度估計，取7974.2N；同理，剪切強度SFLF取3987.1N；NEN、MEN取常用值2。

2 風擋鳥撞計算

2.1 撞擊位置1

選取左側風擋的左上角為撞擊點。

鳥體在撞擊5ms后，其動能由初始時刻的14062J降至5056.5J并保持不變。在撞擊發生后，右側風擋玻璃的上角處外層玻璃發生破壞變形，并影響內層的玻璃。在受撞擊處的無機玻璃完全碎裂。內層玻璃產生一定的變形但未破壞。周邊的骨架產生一定的塑性變形但未破壞。

2.2 撞擊位置2

選取左側風擋玻璃中央處為撞擊點。

鳥體在撞擊6ms后，其動能由初始時刻的14062J降至5729.2J。在撞擊發生后，外層玻璃首先發生變形破壞，并影響內層的玻璃。無機玻璃在撞擊中龜裂，單元達到失效應變后刪除。由于風擋結構有一定的傾角，鳥體在撞擊過程中沿著風擋結構向上滑動，隨后影響到頂部蒙皮及風擋骨架，支撐結構產生一定的塑性變形但未破壞。

3 小結

本文通過SPH鳥體對風擋結構的抗鳥撞數值仿真分析，對于風擋結構而言，在1.8kg、125m/s的鳥體撞擊能量作用下，撞擊位置在風擋玻璃時，外層玻璃破壞而另外幾層玻璃發生變形但未破壞，表明結構具有良好的抗鳥撞性能。

【參考文獻】

[1]CCAR-25AA-R3運輸類飛機適航標準[S].中國民用航空局，2001.

[2]費思聰，孫秦.鋁合金的J-C失效參數標定與仿真分析[J].計算機仿真.2013，30（9）：46-50.

[3]費思聰.飛機機/尾翼前緣結構抗鳥撞特性數值模擬技術研究[D].西北工業大學碩士學位論文，2013.

[責任編輯：朱麗娜]endprint