劉建明，蔣向華

(北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，北京100191)

1 引言

鳥(niǎo)撞是指鳥(niǎo)類(lèi)與飛行器等發(fā)生碰撞，造成飛行事故的事件。隨著航空技術(shù)的發(fā)展，鳥(niǎo)撞事件呈增加的趨勢(shì)。鳥(niǎo)撞事故的增多引起了國(guó)際上的廣泛重視，國(guó)際航空聯(lián)合會(huì)已經(jīng)把鳥(niǎo)害升級(jí)為“A”類(lèi)航空災(zāi)難。發(fā)動(dòng)機(jī)研制技術(shù)發(fā)達(dá)的國(guó)家紛紛開(kāi)展鳥(niǎo)撞研究。鳥(niǎo)撞研究基本上可分為試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬2部分[1]。早期的鳥(niǎo)撞研究基本上是通過(guò)試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行的，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)以及有限元數(shù)值計(jì)算理論的發(fā)展，鳥(niǎo)撞研究[越來(lái)越多地采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行[2]。用數(shù)值模擬的結(jié)果指導(dǎo)試驗(yàn)和設(shè)計(jì)，從而節(jié)約成本、縮短研制周期。

本文基于鳥(niǎo)撞鋁板的試驗(yàn)結(jié)果，采用MSC.Dytran軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，以驗(yàn)證所用方法的可行性和準(zhǔn)確性；然后計(jì)算葉片材料的各個(gè)參數(shù)對(duì)平板葉片鳥(niǎo)撞動(dòng)響應(yīng)的影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

文獻(xiàn)[3]進(jìn)行了鳥(niǎo)體斜撞擊鋁板試驗(yàn)。其鋁板的尺寸為410mm×500mm×10mm，4邊固支。按照國(guó)軍標(biāo)[4]的要求，鳥(niǎo)體重1.8 kg。鳥(niǎo)體以91.1 m/s的速度以30°角斜撞擊鋁板中心。試驗(yàn)測(cè)量了鋁板中心點(diǎn)的法向位移隨時(shí)間的變化，以及撞擊開(kāi)始1.24 ms后沿板寬度方向（撞擊方向）5個(gè)測(cè)點(diǎn)的位移，如圖1所示。

本文采用MSC.Dytran提供的一般耦合（General Coupling）作為流固耦合的計(jì)算方法，采用殼單元?jiǎng)澐咒X板。鋁板材料模型為彈塑性材料，各參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 鋁板材料參數(shù)

按照國(guó)軍標(biāo)的要求，將鳥(niǎo)體簡(jiǎn)化成長(zhǎng)徑比為2∶1的兩端半球、中間圓柱的實(shí)體，半徑為57mm，長(zhǎng)度為228mm，鳥(niǎo)體的材料參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 鳥(niǎo)體材料參數(shù)

鋁板中心點(diǎn)的法向位移隨時(shí)間變化的測(cè)量值和計(jì)算值的對(duì)比如圖2所示；撞擊開(kāi)始1.24 ms后沿板寬度方向(撞擊方向)的位移的測(cè)量值與計(jì)算值的對(duì)比如圖3所示。

由圖2、3可以看出，計(jì)算和測(cè)量結(jié)果的趨勢(shì)比較一致。由此可以判定，用一般耦合法作為流固耦合方法所建立的鳥(niǎo)撞模型比較符合實(shí)際情況，可以用于鳥(niǎo)撞平板葉片的計(jì)算分析。

3 葉片材料對(duì)鳥(niǎo)撞動(dòng)響應(yīng)影響

本文進(jìn)行鳥(niǎo)體正撞擊平板葉片動(dòng)響應(yīng)計(jì)算，以此來(lái)考察葉片材料各個(gè)參數(shù)對(duì)鳥(niǎo)撞動(dòng)響應(yīng)的影響。

平板葉片的尺寸為150 mm×200 mm×5 mm，4邊固支。葉片材料的靜態(tài)應(yīng)變強(qiáng)化效應(yīng)采用雙線性應(yīng)力-應(yīng)變模型進(jìn)行模擬,應(yīng)力循環(huán)效應(yīng)采用等向強(qiáng)化模型模擬,動(dòng)態(tài)應(yīng)變率效應(yīng)采用Cowper-Symonds模型模擬。其硬化方程為

式中：σd為動(dòng)態(tài)應(yīng)力；σy為靜態(tài)屈服應(yīng)力；ε為等效應(yīng)變率；D、P為表征動(dòng)態(tài)硬化的材料系數(shù)，計(jì)算時(shí)取D=100、P=10。

葉片的材料參數(shù)見(jiàn)表3。葉片密度ρ=4430 kg/m3，泊松比μ=0.34。

表3 葉片材料參數(shù)MPa

鳥(niǎo)體質(zhì)量為0.3kg，用長(zhǎng)徑比為2∶1的圓柱體模擬，半徑為29.5 mm，長(zhǎng)度為118 mm。材料參數(shù)見(jiàn)表4。鳥(niǎo)體以300 m/s的速度正撞擊平板中央。

表4 鳥(niǎo)體材料參數(shù)

以表3中所示材料數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，分別計(jì)算了不同材料參數(shù)葉片在遭受鳥(niǎo)體正撞擊后，平板中心單元的應(yīng)力以及中心點(diǎn)的位移隨時(shí)間的變化情況。

3.1 彈性模量的影響

選取葉片的彈性模量E=112500、56250、28125 MPa進(jìn)行對(duì)比計(jì)算。在3種彈性模量下，板中心單元的應(yīng)力、應(yīng)力峰值和位移峰值變化情況分別如圖4～6所示。從圖4～6可以看出，葉片的彈性模量對(duì)應(yīng)力峰值和位移峰值影響較大，應(yīng)力峰值隨彈性模量的增大而增大，而位移峰值隨彈性模量的增大而減小。這是因?yàn)镋越大，平板葉片的抗彎剛度也越大，鳥(niǎo)撞過(guò)程作用時(shí)間就越短，應(yīng)力峰值從而越大；抗彎剛度增大也使得相應(yīng)的撓度減小，即板中間點(diǎn)的位移峰值減小。從圖4中還可得到，葉片的彈性模量對(duì)沖擊峰的作用時(shí)間有影響，彈性模量越小，作用時(shí)間越長(zhǎng)。從圖5、6還可看出，彈性模量對(duì)鳥(niǎo)撞動(dòng)響應(yīng)的影響不是線性的。

3.2 硬化模量的影響

選取葉片硬化模量Eh=14286、7000、1200 MPa進(jìn)行對(duì)比計(jì)算。在3種硬化模量下，板中心單元的應(yīng)力、應(yīng)力峰值和位移峰值的變化情況如圖7所示，從圖7中可以看出，硬化模量對(duì)應(yīng)力峰值和沖擊峰的作用時(shí)間的影響較小，則硬化模量對(duì)葉片變形的影響也較小。從圖8、9可以看出，硬化模量對(duì)鳥(niǎo)撞動(dòng)響應(yīng)的影響和彈性模量的影響相似，也不是線性的。

3.3 靜態(tài)屈服應(yīng)力的影響

選取葉片的屈服應(yīng)力為σs=900、600、300MPa進(jìn)行對(duì)比計(jì)算。在3種靜態(tài)屈服應(yīng)力下，板中心單元的應(yīng)力、應(yīng)力峰值和位移峰值的變化情況分別如圖10～12所示，從圖10中可以看出，靜態(tài)屈服應(yīng)力對(duì)應(yīng)力峰值影響較大，其對(duì)沖擊峰的作用時(shí)間的影響與彈性模量正好相反，屈服應(yīng)力越小，沖擊峰的作用時(shí)間越短。從圖11、12中可以看出，靜態(tài)屈服應(yīng)力對(duì)應(yīng)力峰值和位移響應(yīng)的影響也不是呈線性關(guān)系。

4 結(jié)論

（1）基于試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了采用一般耦合法作為流固耦合的數(shù)值模擬算法的可行性。

（2）計(jì)算了葉片材料的各個(gè)參數(shù)對(duì)鳥(niǎo)撞動(dòng)響應(yīng)的影響情況。結(jié)果表明，葉片的彈性模量、靜態(tài)屈服應(yīng)力對(duì)應(yīng)力峰值較大影響，而硬化模量值對(duì)應(yīng)力峰值的影響相對(duì)較小。

（3）彈性模量的增大會(huì)縮短沖擊峰的作用時(shí)間，屈服應(yīng)力的增加會(huì)增大會(huì)延長(zhǎng)沖擊峰的作用時(shí)間，硬化模量的變化對(duì)沖擊峰的作用時(shí)間的影響相對(duì)較小。

（4）葉片變形隨葉片的彈性模量、硬化模量、靜態(tài)屈服應(yīng)力的增大而減小，但這種關(guān)系不是線性的。

[1] 蔣向華,王延榮.采用流固耦合方法的整級(jí)葉片鳥(niǎo)撞擊數(shù)值模擬[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2008，23(2):299-304.

[2] 朱書(shū)華,童明波.鳥(niǎo)體形狀對(duì)飛機(jī)風(fēng)擋鳥(niǎo)撞動(dòng)響應(yīng)的影響[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，40(4):551-555.

[3] 白金澤.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的鳥(niǎo)撞飛機(jī)風(fēng)擋反問(wèn)題研究[D].西安:西北工業(yè)大學(xué)，2003.