趙 龍， 胡靖宇， 賈 瑞， 尹佳林

（沈陽航空航天大學(xué)民用航空學(xué)院， 遼寧 沈陽 110136）

引言

開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)，早起曾被稱為槳扇發(fā)動機(jī)（Propfan Engine） 或無涵道風(fēng)扇發(fā)動機(jī)（Unducted Fan Engine），是一種利用燃?xì)馔ㄟ^動力渦輪輸出軸功率來傳動槳扇的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)，它既可以被看作是帶有先進(jìn)高速螺旋槳的渦槳發(fā)動機(jī)，也可被看作是除去外涵道之后的渦扇發(fā)動機(jī)。開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)具有多個寬弦、薄葉型的后掠槳葉，雙排對轉(zhuǎn)，外圍無罩。通常情況下，它能夠在較高的飛行速度下保持不錯的推進(jìn)效率，通常開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的有效涵道比為25～60[1]。經(jīng)實驗驗證，開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)相較于常規(guī)的渦扇發(fā)動機(jī)節(jié)約20%～30%[2]，可以說它是一種集渦扇發(fā)動機(jī)的高速飛行以及渦槳發(fā)動機(jī)的低油耗于一身的新型發(fā)動機(jī)，深受各國發(fā)動機(jī)龍頭公司的青睞。

然而隨著現(xiàn)代航空技術(shù)的迅速發(fā)展，飛機(jī)的數(shù)量以及航班次數(shù)顯著增加，同時鳥撞事故的數(shù)量也在急速增多。一般情況下，鳥撞事故會發(fā)生在飛機(jī)的起飛和降落階段，而鳥撞事故的嚴(yán)重程度往往取決于鳥撞到飛機(jī)的部位、鳥與飛機(jī)的相對速度以及鳥的質(zhì)量[3]。據(jù)統(tǒng)計，最容易受到鳥類撞擊的部位是風(fēng)扇的發(fā)動機(jī)葉片以及風(fēng)擋[4]。針對鳥撞問題，早在20世紀(jì)90 年代陳偉等人就針對鳥撞問題做了很多基礎(chǔ)性的研究，先后針對載荷影響下的葉片鳥撞問題進(jìn)行了動響應(yīng)分析、對不同應(yīng)變率下的葉片運用數(shù)值模擬方法進(jìn)行瞬態(tài)響應(yīng)分析以及鳥撞后的損傷分析[5]，伍國卿等人運用MAC 產(chǎn)品對復(fù)合材料葉片的動強(qiáng)度特性驚醒了仿真分析，并且對復(fù)合材料葉片進(jìn)行了鳥撞實驗[6]，R.H.Mao 等人建立了鳥撞擊平板的數(shù)值計算模型，并對該模型進(jìn)行了驗證[7]。

本文研究的開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)是雙排對轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，相較于單排旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的發(fā)動機(jī)，它的效率可以提高6%～10%，可以節(jié)約燃料，其次它可以在相同葉片直徑的前提下產(chǎn)生兩倍的推力，同時，雙排對轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的發(fā)動機(jī)可以在接觸地面時改變自身的槳距，產(chǎn)生強(qiáng)勁的反推力[8]。但是，由于雙排對轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的發(fā)動機(jī)的葉片都在發(fā)動機(jī)外，在起飛和降落過程中其遭遇到鳥撞的風(fēng)險就會增加。

因此，本文基于ANSYS 有限元分析軟件，建立了鳥撞某型號開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)槳葉數(shù)值計算模型，研究了發(fā)動機(jī)正常工作狀態(tài)下飛鳥撞擊葉片不同位置時，對葉片造成損傷的情況，為開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)抗鳥撞設(shè)計提供了參考。

1 數(shù)值計算模型

1.1 開式轉(zhuǎn)子葉片模型

某型開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)槳葉外形如下頁圖1 所示，開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的風(fēng)扇組成不同于其他渦扇葉片，它是由葉片和轉(zhuǎn)子連接環(huán)（如下頁圖2 所示）組合而成的[9]。利用SOLIDEWORKS 軟件繪制開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的葉片和轉(zhuǎn)子連接環(huán)并組合在一起，如下頁圖3 所示，每個轉(zhuǎn)子連接環(huán)上連接8 片槳葉，可知每兩片葉片之間的夾角為45°。設(shè)定該開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)槳葉材料為鈦合金，楊氏模量定為120 GPa，設(shè)定密度4 450 kg/m3，泊松比定為0.3，屈服應(yīng)力定為1.1 GPa，塑性硬化模量定為1.1 GPa。利用ANSYS 軟件建立葉片的有限元網(wǎng)格模型，如下頁圖4 所示，采用六面體和四面體的混合單元，葉片與轉(zhuǎn)子連接環(huán)之間由一圓柱體相連，因此葉片會與連接環(huán)剛體隨動[10]。槳葉材料的動態(tài)應(yīng)變率的本構(gòu)模型是一個雙線性應(yīng)力應(yīng)變模型，可以由硬化方程（1）來表述。其中：是動態(tài)應(yīng)力，δ0（ε）是靜態(tài)屈服應(yīng)力是應(yīng)變率，D 和p 是材料的動態(tài)硬化應(yīng)變率的模型參數(shù)。

圖1 某型開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子葉片外形

圖2 某型開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子連接環(huán)外形

圖3 某型開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)風(fēng)扇全尺寸模型

圖4 葉片有限元網(wǎng)格模型

1.2 鳥體模型

相較于飛機(jī)，鳥的體積很小可以，近似地將鳥體用一個兩端是半球體中間是圓柱體的膠囊狀實體代替，如圖5 所示[11]。鳥體材料選用塑性動力學(xué)材料，球體的內(nèi)半徑為58.1 mm，圓柱長度為232.4 mm，鳥體質(zhì)量約為1.7 kg，計算得鳥體密度為520.39 kg/m3，將楊氏模量定為10 GPa、泊松比定為0.3、屈服應(yīng)力定為1.1 MPa、切線模量定為5 MPa，失效應(yīng)變?yōu)?.25。使用ABAQUS 軟件生成的SPH 粒子總數(shù)為 3 988 個。

圖5 鳥體模型

1.3 分析工況

假設(shè)鳥與飛機(jī)的相對速度為130 m/s，方向定為與葉片轉(zhuǎn)動平面相垂直，分別撞擊開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)葉片的葉根、葉中和葉梢，將這三個撞擊位置分別定義為工況一、工況二以及工況三，如表1 所示。

2 仿真結(jié)果模擬及分析

利用ANSYS 仿真軟件中的Workbench LS-DYNA 進(jìn)行仿真模擬，可以得到以下的仿真結(jié)果。圖6中分別給出了鳥撞葉片的三種工況下葉梢的位移隨時間變化的曲線，圖7 中分別給出了鳥撞葉片的三種工況（葉根、葉中及葉梢）下的總變形分布云圖。

表1 工況說明表

圖6 葉稍位移曲線

圖7 總變形（mm）分布云圖

從圖中可以看出，在工況一時，鳥體撞擊到槳葉的根部，鳥體的大部分將會從槳葉下方穿過，這個時候鳥體仍然具有較大的質(zhì)量和速度，極有可能影響到開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的下一級槳葉，對下一級槳葉造成損傷，同時由于葉根單元的等效應(yīng)力突增，有可能會造成葉片發(fā)生斷裂；在工況二時，鳥體撞擊到槳葉的中部，此過程會對葉片造成較大的傷害，但是基本不會影響到下一級的槳葉，相對來說危害最小；在工況三時，鳥體撞擊到槳葉的尖部，鳥體大部分會從葉尖劃過，但是對葉片造成的形變是最大的，并且有可能會發(fā)生塑性形變，會導(dǎo)致槳葉無法正常工作，同時，在工況一和工況三中都存在形變最大的區(qū)域，也就是說，當(dāng)鳥體撞擊葉根和葉梢的時候會對葉片造成的傷害比撞擊葉中大。綜上所述，鳥體撞擊葉片中部的危險最小，其次是撞擊葉根，撞擊葉梢的危險最高。

3 結(jié)論

研究結(jié)果表明：鳥擊撞擊該型號的槳葉葉片的機(jī)械損傷程度與飛鳥撞擊的位置有很大的關(guān)系，當(dāng)鳥體撞擊槳葉的梢部時，會對葉片造成較大的傷害，有可能會造成塑性形變，當(dāng)鳥體撞擊葉片根部時，鳥體會從葉片與連接環(huán)中的縫隙中穿過，可能會對下一級的槳葉造成傷害，或者由于葉根單元的等效應(yīng)力突增使槳葉發(fā)生斷裂，當(dāng)鳥體撞擊葉片的中部時，僅對被撞擊葉片造成傷害，不會影響下一級葉片。實際中應(yīng)盡量避免葉片與高動能的鳥體發(fā)生碰撞，本研究可為后續(xù)開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的葉片設(shè)計提供理論指導(dǎo)。