某型民機(jī)風(fēng)擋結(jié)構(gòu)抗鳥撞性能分析

金日浩

【摘 要】運(yùn)用LS-DYNA軟件的顯式中心差分法求解器進(jìn)行了大規(guī)模數(shù)值計(jì)算，考察了風(fēng)擋結(jié)構(gòu)抗鳥撞特性，數(shù)值分析結(jié)果對(duì)于易受鳥撞的部位有一定的工程價(jià)值，為結(jié)構(gòu)的鳥撞地面模型試驗(yàn)驗(yàn)證提供有力技術(shù)支持。

【關(guān)鍵詞】鳥撞；風(fēng)擋；有限元分析

0 引言

飛機(jī)在飛行運(yùn)營中會(huì)受到外部環(huán)境的種種威脅，其中在運(yùn)營中由鳥撞引起的問題長期以來受到研究人員的關(guān)注。在CCAR-25中，對(duì)于風(fēng)擋的抗鳥撞性能提出了明確的要求：風(fēng)擋結(jié)構(gòu)在受到1.8公斤重的鳥的撞擊后能夠完成飛行。飛機(jī)與鳥沿著飛機(jī)飛行航跡的相對(duì)速度取海平面VC或2450米（8000英尺）0.85VC，兩者中的較嚴(yán)重者[1]。

本文針對(duì)某型民機(jī)的風(fēng)擋結(jié)構(gòu)，運(yùn)用有限元分析對(duì)風(fēng)擋結(jié)構(gòu)的抗鳥撞性能進(jìn)行評(píng)估。

1 數(shù)值計(jì)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(jié)構(gòu)來模擬鳥體形狀，鳥體密度為為0.9～0.95g/cm3，鳥體質(zhì)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(huì)出現(xiàn)鳥體四濺的狀況。為了避免數(shù)值計(jì)算困難，采用SPH粒子技術(shù)來建立鳥體模型，粒子數(shù)為35808個(gè)。采用帶失效應(yīng)變的彈塑性流體動(dòng)力學(xué)本構(gòu)模型模擬鳥體材料，具體參數(shù)見文獻(xiàn)[2]。

1.2 風(fēng)擋模型

在大型問題的數(shù)值模擬計(jì)算中，一般采用殼單元來模擬結(jié)構(gòu)。選用殼單元可以有效的降低求解的規(guī)模，在保證計(jì)算精度的前提下節(jié)省計(jì)算時(shí)間。

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

本文計(jì)算的風(fēng)擋結(jié)構(gòu)包括：機(jī)頭蒙皮、風(fēng)擋玻璃、風(fēng)擋骨架及頂部縱向加強(qiáng)結(jié)構(gòu)等。風(fēng)擋玻璃采用3+2的結(jié)構(gòu)形式，總厚度為28.5mm。

風(fēng)擋有限元模型中除風(fēng)擋玻璃用體單元建模外，其它構(gòu)件（如蒙皮等）均采用殼單元建模。殼單元網(wǎng)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(jié)構(gòu)的實(shí)際厚度有關(guān)，共計(jì)殼單元844139個(gè)，體單元269208個(gè)。

風(fēng)擋玻璃采用選用彈脆性力學(xué)模型來描述玻璃的本構(gòu)關(guān)系，失效應(yīng)變?yōu)?.1%，屈服應(yīng)力為68MPa。

鋁合金結(jié)構(gòu)采用Johnson -Cook動(dòng)力學(xué)本構(gòu)模型，具體參數(shù)見文獻(xiàn)[3]。

1.3 邊界條件

結(jié)構(gòu)邊界條件設(shè)置包括：風(fēng)擋結(jié)構(gòu)的位移約束設(shè)置，構(gòu)件間可能接觸條件的設(shè)置等。按照邊界約束偏強(qiáng)的理念對(duì)風(fēng)擋結(jié)構(gòu)的框架采用三個(gè)方向的位移和轉(zhuǎn)角約束設(shè)置鳥體與結(jié)構(gòu)間采用侵蝕點(diǎn)面接觸，模擬鳥體侵蝕穿透。對(duì)于相互之間存在接觸的各構(gòu)件之間采用自動(dòng)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(jié)點(diǎn)斷開強(qiáng)度模型，該模型結(jié)合了鉚釘?shù)睦炫c剪切。

其中NFLF為拉伸斷裂強(qiáng)度，SFLF為剪切斷裂強(qiáng)度，NEN、MEN為模型指數(shù)；fn與fs分別表示兩“釘扎”節(jié)點(diǎn)間的拉力與剪力。在本文的有限元數(shù)值模擬中鉚釘?shù)闹睆?.75mm。拉伸強(qiáng)度NFLF按鉚釘名義面積乘以標(biāo)稱材料強(qiáng)度估計(jì)，取7974.2N；同理，剪切強(qiáng)度SFLF取3987.1N；NEN、MEN取常用值2。

2 風(fēng)擋鳥撞計(jì)算

2.1 撞擊位置1

選取左側(cè)風(fēng)擋的左上角為撞擊點(diǎn)。

鳥體在撞擊5ms后，其動(dòng)能由初始時(shí)刻的14062J降至5056.5J并保持不變。在撞擊發(fā)生后，右側(cè)風(fēng)擋玻璃的上角處外層玻璃發(fā)生破壞變形，并影響內(nèi)層的玻璃。在受撞擊處的無機(jī)玻璃完全碎裂。內(nèi)層玻璃產(chǎn)生一定的變形但未破壞。周邊的骨架產(chǎn)生一定的塑性變形但未破壞。

2.2 撞擊位置2

選取左側(cè)風(fēng)擋玻璃中央處為撞擊點(diǎn)。

鳥體在撞擊6ms后，其動(dòng)能由初始時(shí)刻的14062J降至5729.2J。在撞擊發(fā)生后，外層玻璃首先發(fā)生變形破壞，并影響內(nèi)層的玻璃。無機(jī)玻璃在撞擊中龜裂，單元達(dá)到失效應(yīng)變后刪除。由于風(fēng)擋結(jié)構(gòu)有一定的傾角，鳥體在撞擊過程中沿著風(fēng)擋結(jié)構(gòu)向上滑動(dòng)，隨后影響到頂部蒙皮及風(fēng)擋骨架，支撐結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的塑性變形但未破壞。

3 小結(jié)

本文通過SPH鳥體對(duì)風(fēng)擋結(jié)構(gòu)的抗鳥撞數(shù)值仿真分析，對(duì)于風(fēng)擋結(jié)構(gòu)而言，在1.8kg、125m/s的鳥體撞擊能量作用下，撞擊位置在風(fēng)擋玻璃時(shí)，外層玻璃破壞而另外幾層玻璃發(fā)生變形但未破壞，表明結(jié)構(gòu)具有良好的抗鳥撞性能。

【參考文獻(xiàn)】

[1]CCAR-25AA-R3運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)[S].中國民用航空局，2001.

[2]費(fèi)思聰，孫秦.鋁合金的J-C失效參數(shù)標(biāo)定與仿真分析[J].計(jì)算機(jī)仿真.2013，30（9）：46-50.

[3]費(fèi)思聰.飛機(jī)機(jī)/尾翼前緣結(jié)構(gòu)抗鳥撞特性數(shù)值模擬技術(shù)研究[D].西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2013.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]endprint