基于abaqus的SPH算法鳥撞分析研究

龍思海，滕春明，張海東

(航空工業洪都，江西 南昌，330024)

0 引言

隨著飛機低空高速飛行任務的增加，鳥撞飛機的概率也隨之增加。鳥撞飛機帶來的危害已越來越為人們所認識。由于工程試驗法試驗周期長、次數多，導致費用很高，例如在某型飛機風擋的研制過程中，全尺寸鳥撞試驗就進行了多次，制造了大量的試驗件，試驗費用極高。因此，鳥撞動響應仿真分析成為重點的研究方向，型號設計前期準確的鳥撞動響應仿真分析能夠節省大量的試驗費用。

張志林[1]等著重考慮了應變率對透明件材料性能的影響和幾何非線性對剛度矩陣的影響，結果顯示：應變率對位移、應變影響較大，考慮應變率相關性分析所得結果比不考慮應變率相關性分析結果更接近試驗結果；幾何非線性分析所獲得的風擋最大法向位移比線性分析得到的值大，幾何非線性對飛機風擋鳥撞動響應分析結果的影響不可忽略，并以此提出了鳥撞擊載荷柔性靶理論。

王昌銀[2]等基于ANASYS/LS-DYNA[3-8]采用Lagrange網格和SPH模擬鳥體進行風擋抗鳥撞性能對比分析，鳥體采用可壓碎泡沫本構模型。計算表明：SPH分析得出的結果與傳統的Lagrange網格方法得出的結果以及試驗實測結果基本一致。

本文基于abaqus[9-11]的SPH算法進行鳥撞動響應分析，分別采用殼單元和體單元模擬風擋，對比分析試驗實測結果與計算結果之間的差異，表明abaqus的SPH算法在鳥撞分析中都是可行的，根據迭代計算得到的鳥體及玻璃的本構可用于后續型號研制分析。

1 風擋結構簡介

某型飛機風擋為圓弧整體風擋，如圖1所示。風擋玻璃采用航空YB-DM-3有機玻璃，骨架材料為鋁合金，骨架通過螺栓與機身連接。

2 SPH方法

SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)方法的全稱為“光滑粒子流體動力學”[12]，是Lucy和Gingold等人于1977年提出的一種無網格化拉格朗日算法[13]。SPH方法的基本思想是把材料看成一組流體粒子的集合，每個粒子具有自己的質量、速度和能量特征，并描述為一個和流體性質相關的插值點，用規則的內插函數計算所有粒子的場函數，近似描述整個問題的場分布。

圖1 風擋結構示意圖

考慮到鳥撞風擋動態響應的變形特點，本文使用SPH方法和有限元方法，鳥體的模擬采用SPH方法，用流動的粒子描述鳥體的大變形、破碎及飛散，其它區域使用有限元 Lagrange方法。SPH粒子與Lagrange單元的接觸采用基于罰函數的接觸方法。

3 基于abaqus的SPH算法仿真分析

本文采用abaqus軟件建立風擋抗鳥撞有限元模型，通過修改關鍵字定義玻璃的破壞模式，然后通過abaqus計算求解。

3.1 鳥體模型

對于鳥體模型的形狀，一般有圓柱形鳥體和兩端半圓球的圓柱形鳥體。將鳥體簡化為長徑比為2：1的圓柱體。本文中鳥的密度為970kg/m3，鳥的重量為1.8kg，根據計算得到鳥體模型長度為212mm、直徑為106mm。鳥體采用SPH粒子模擬。鳥體模型如圖2所示，鳥體材料參數見表1。

圖2 鳥體模型

表1 鳥體材料參數

3.2 風擋模型

風擋玻璃材料為3號定向有機玻璃，風擋玻璃單元沿厚度方向不少于3層，以模擬風擋玻璃內外表面受撞擊過程中的拉壓應力。鳥撞過程是一個高速的變化過程，一般在幾毫秒內完成，在瞬態撞擊過程中，在撞擊區附近產生劇烈的應力、應變的變化，而弧框和邊框連接的區域還無法響應其劇烈的應力變化，因此，約束風擋玻璃周邊三個方向平動自由度作為邊界條件，以模擬支持。玻璃采用彈塑性材料模擬，風擋玻璃材料參數見表2，風擋的殼單元 （S4R）和體單元（C3D8R）模型如圖3所示。

3.3 分析結果

表2 風擋玻璃材料參數

圖3 風擋有限元模型

有限元模型中的接觸算法采用通用接觸算法，鳥撞試驗結果表明，該風擋可承受1.8kg鳥體正面撞擊不發生破壞的臨界速度為450km/h。因此，在仿真分析時，計算分析了鳥體以450km/h正面撞擊的情況，取風擋對稱線中點為被撞擊中心點。分析結果中取被撞擊中心點附近的單元應力或者節點位移進行對比分析，計算得出的被撞擊點處應力、位移、應變-時間曲線以及動能-時間曲線見圖4。

圖4 兩種風擋單元模型下應力、位移、應變、動能-時間曲線

3.4 分析與試驗結果對比

圖4（a）給出了兩種風擋模型分別采用殼單元和體單元時的被撞擊點處應力數值計算結果，比較圖中3條曲線，可以看出，兩種模型的計算結果與試驗結果趨勢一致，體單元模型得到的應力峰值比殼單元應力更大，體單元模型應力計算結果與試驗測量結果吻合的更好，兩種模型的應力峰值比試驗結果出現的更早。

圖4（b）給出了被撞擊點處位移數值計算結果，并結合試驗結果進行對比。可以看出三條數值曲線的變化趨勢比較一致，殼單元模型計算結果更接近試驗結果。圖4（c）給出了被撞擊點處應變數值計算結果，可以看出兩種計算結果趨勢一致，殼單元應變計算結果更大，體單元計算結果小。

兩種模型中鳥體的速度、質量和密度一致，但由于風擋由不同種類單元建模，導致在撞擊過程中鳥體損失的能量不同，如圖4（d）和4（e）所示的撞擊過程中動能和塑性耗散隨時間的變化曲線，撞擊瞬間兩種模型的動能均為14091J，撞擊過程中殼單元和體單元吸收的能量分別為：2191J和2681J。可見殼單元模擬的風擋模型剛度更弱，耗散了更多的能量。

兩種風擋模型計算得到的應力、位移結果與試驗結果對比見表3，由表3可以看出，兩種模型仿真分析結果與試驗測試結果吻合較好，從應力和位移峰值結果來看，殼單元模型的計算結果與試驗測量結果更加接近，表明在鳥撞分析中，使用殼單元、體單元模擬風擋進行鳥撞分析都是可行的。

表3 計算結果對比

4 結論

通過鳥撞性能仿真對比分析表明：

1）基于abaqus的SPH算法進行鳥撞動響應分析是可行的；

2）仿真分析中采用殼單元和體單元模擬風擋得到的分析結果與試驗結果趨勢是一致的；

3）殼單元模擬風擋得到的計算結果更加接近試驗測量結果且單元規模較小，在分析過程中可以有效減少求解時間；

4）通過試驗結果迭代分析得到的玻璃以及鳥體的本構模型可以用于后續型號設計。