施萌　孔令勇

【摘 要】以某型飛機后緣內(nèi)襟翼為研究對象，利用有限元軟件PAM-CRASH，開展了飛機結(jié)構(gòu)的鳥撞仿真分析研究。分析過程考慮了材料的非線性和結(jié)構(gòu)的大變形，并采用SPH（Smoothed Partical Hydrodynamics）方法模擬高速撞擊下的鳥體。利用有限元分析得到不同速度、飛機迎角、襟翼卡位和撞擊位置等情形下的后緣內(nèi)襟翼損傷情況及程度對比，進而得到在鳥撞分析過程中，各因素對于襟翼鳥撞結(jié)果的影響。研究結(jié)論對飛機結(jié)構(gòu)的抗鳥撞研究有一定的參考價值。

【關(guān)鍵詞】鳥撞；襟翼；SPH算法

中圖分類號： V216.2 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）14-0033-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.14.014

Bird impact analysis of wing inner flap based on SPH method

SHI Meng KONG Ling-yong

（Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 201210，China）

【Abstract】Software PAM-CRASH which is based on explicit integration algorithm was used to study bird impact on wing inner flap structure. Nonlinear of materials and big deformation of structure was taken in consideration. Discreet model was used to simulate the bird at high speeds by SPH method. By observing displacement of some points on different components， it analyzed the procedure of bird impact and concluded the function of wing inner flap structure in bird impact design. It may provide some references to the study of bird impact of large aircraft in our country.

【Key words】Bird impact； Flap； SPH method

0 引言

飛機結(jié)構(gòu)鳥撞事件是危害飛機飛行安全的重要問題，因此越來越多的被人們所重視。飛機飛行階段遭受的鳥體撞擊一般發(fā)生在飛機的迎風面，因此機頭、機翼等結(jié)構(gòu)都是容易發(fā)生鳥撞的部位[1-3]。后緣襟翼作為飛機鳥撞的敏感區(qū)域，對其進行鳥撞分析研究對于全機結(jié)構(gòu)鳥撞安全至關(guān)重要。本文擬采用后緣內(nèi)襟翼模型，綜合考慮速度、迎角、卡位、撞擊位置等因素，使用有限元分析軟件PAM-CRASH來分析飛機結(jié)構(gòu)在不同情形下抗鳥撞的能力。

現(xiàn)階段鳥撞有限元分析方法的研究要點包括：復雜結(jié)構(gòu)的建模技術(shù)、鳥體本構(gòu)關(guān)系的確定以及接觸和沖擊的數(shù)值計算方法研究。從高速攝像結(jié)果可以看出，在高速撞擊下，鳥體表現(xiàn)出流體的特性，破碎成很小的鳥體碎片呈流體狀四處飛濺，說明數(shù)值模擬鳥體時應選流體材料模型[4]。

1 計算模型

1.1 結(jié)構(gòu)及鳥體模型

如圖1和圖2所示，本文分析研究的是某型飛機機翼后緣襟翼結(jié)構(gòu)。模型中，內(nèi)襟翼采用蒙皮、肋、長桁和梁的結(jié)構(gòu)布置方案，其中內(nèi)襟翼蒙皮、前后梁及其帶板均采用復合材料，盒段壁板則采用了層壓板和蜂窩夾芯的整體壁板。有限元模型在內(nèi)襟翼內(nèi)測的滑軌和支搖臂位置進行固支，以模擬與機體的連接，如圖所示。

如圖4所示，鳥體幾何模型為兩端半球狀、長徑比為2：1的圓柱體，質(zhì)量為1.8kg，密度為900kg/m3，因此確定兩端球體的半徑為0.058m，長0.232m。SPH模型是通過內(nèi)部轉(zhuǎn)換器由六面體單元轉(zhuǎn)換生成。

1.2 工況

為了考慮速度、迎角、卡位、撞擊位置等因素對襟翼結(jié)構(gòu)損傷的影響，這里選取四個典型的撞擊位置，分別為肋中間、肋與后梁連接處、盒段腹板中央和后梁中間，如圖5所示。鳥體撞擊速度選取am/s、bm/s、cm/s，飛機迎角選取三種情形d°、e°、f°，襟翼卡位選一較大值g°。這里假設以上所設置的工況情形下鳥體均能撞擊到所選位置。

2 SPH算法

SPH方法（Smoothed Particle Hydrodynamics）的核心是一種插值技術(shù)。每一個粒子與其相距設定距離范圍內(nèi)的所有其他粒子發(fā)生相互作用。它們間的相互作用是由未知函數(shù)來衡量的，設定距離為光滑長度的兩倍。

鳥體本構(gòu)模型采用Murnaghan狀態(tài)方程[5]。此模型中狀態(tài)方程為

式中：p0和p為初始和現(xiàn)時壓強；ρ0和ρ為初始和現(xiàn)時密度；B為體積彈性模量。

3 計算結(jié)果

3.1 撞擊過程

各工況的計算結(jié)果是相似的，以撞擊速度bm/s、飛機迎角e°、撞擊位置3的鳥體的撞擊過程為例進行介紹，詳見圖4：鳥體首先與下壁板蒙皮發(fā)生撞擊使之產(chǎn)生損傷，然后向內(nèi)擠壓使復材肋產(chǎn)生損傷，沒有破壞，相鄰位置的蜂窩發(fā)生單元刪除。撞擊過程中結(jié)構(gòu)最大損傷點出現(xiàn)在下壁板蒙皮對應的撞擊區(qū)域，最后鳥體沿著后緣蒙皮滑出。

3.2 鳥撞結(jié)果分析

以撞擊速度bm/s、飛機迎角e°、撞擊位置3的鳥體的撞擊過程為例，說明如下：

從圖7中可以看出，計算的最后時刻系統(tǒng)的動能并未完全耗散，動能的耗散主要發(fā)生在撞擊之后的5ms內(nèi)，占總耗散動能的35%左右，當然這與初始速度密切相關(guān)。

該工況下，結(jié)構(gòu)損傷情況見圖8-圖9。結(jié)構(gòu)損傷最大值發(fā)生在后梁腹板處。

3.3 不同工況下鳥體的撞擊結(jié)果對比分析

這里著重關(guān)注下內(nèi)襟翼前后梁、肋和蒙皮上的結(jié)構(gòu)最大損傷，圖10、圖11、圖12為飛機迎角分別為d°、e°、f°情形下對應不同速度和不同撞擊位置下的結(jié)構(gòu)損傷最大值對比。圖13為撞擊位置3對應的不同飛機迎角及撞擊速度情形下結(jié)構(gòu)損傷最大值對比圖。

內(nèi)襟翼的主要支撐件前后梁發(fā)生損傷，未發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞。本文共分析了36個工況，其中25個工況的最大損傷出現(xiàn)在下壁板蒙皮上，7個工況的出現(xiàn)在后緣輔助梁腹板上，其余出現(xiàn)在后梁腹板上。當飛機迎角、襟翼卡位及鳥體撞擊速度一致時，撞擊點在位置4時結(jié)構(gòu)損傷更為明顯。

3.4 沙漏現(xiàn)象

使用單點積分的有限元分析中，顯示積分算法因大變形、單元畸變等原因可能會出現(xiàn)沙漏現(xiàn)象，觀察計算結(jié)果中各部件的沙漏現(xiàn)象。PAM-CRASH計算中采用了ISHG沙漏控制方法，如圖14所示，沙漏能占內(nèi)能的7%左右，計算結(jié)果證明是有效的。

4 結(jié)論

經(jīng)過有限元分析，得到了后緣內(nèi)襟翼結(jié)構(gòu)的抗鳥撞性能，得出以下結(jié)論：

（1）本襟翼結(jié)構(gòu)主要通過蒙皮、輔助梁、肋等結(jié)構(gòu)吸能，達到緩沖效果，以確保襟翼前后梁等主要承力結(jié)構(gòu)不發(fā)生破壞。

（2）鳥體速度大小與系統(tǒng)初始輸入有關(guān)系，速度越大，初始動能就越大，在撞擊位置、飛機迎角、襟翼卡位一致的情況下，鳥體速度越大，飛機結(jié)構(gòu)遭受的損傷也就越大。

（3）在撞擊位置、鳥體速度、襟翼卡位一致的情形下，飛機迎角越大，垂直于襟翼的速度分量越大，飛機結(jié)構(gòu)遭受的損傷也就越大。

（4）通過對比觀察系統(tǒng)的能量變化曲線和結(jié)構(gòu)損傷云圖，可以得到分析整個結(jié)構(gòu)鳥撞的損傷失效過程，從而明確襟翼的各個部件在抗鳥撞設計中的作用。

【參考文獻】

[1]李衛(wèi)東. 中國民航飛機鳥擊事件統(tǒng)計分析與研究. 西北工業(yè)大學學報，2005.

[2]張永康，李玉龍，汪海青.典型梁-緣結(jié)構(gòu)鳥撞破壞的有限元分析.爆炸與沖擊，2008，28（3）：236-242.

[3]趙楠，薛璞.機翼前緣結(jié)構(gòu)抗鳥撞分析研究.科學技術(shù)與工程，2010，10（8）：1671-1815.

[4]劉軍，李玉龍，郭偉國，石霄鵬.鳥體本構(gòu)模型參數(shù)反演：鳥撞平板試驗研究.航空學報，2011，32（5）：802-811.

[5]Raibert M H.Dynamic stability and resonance in a legged hopping machine[A].Conference on Theory and Practice of Robots and Manipulators[C].1983：352-367.