孔令勇 李娜 吳志斌

摘要：運用SPH法對尾翼前緣結(jié)構(gòu)的抗鳥撞能力進行了仿真計算，計算結(jié)果表明輔助梁發(fā)生塑性變形，局部有裂紋，前梁無損傷，滿足設(shè)計要求。對計算結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，在受保護的零組件前增加吸能結(jié)構(gòu)是有效的抗鳥撞設(shè)計方案，多級疏導(dǎo)也是一種有效的抗鳥撞設(shè)計方法。

關(guān)鍵詞：鳥撞；SPH方法；吸能結(jié)構(gòu)；多級疏導(dǎo)

引言

鳥撞是指鳥類與飛行中的人造飛行器、高速運行的列車等發(fā)生碰撞，造成傷害的事故。絕大多數(shù)鳥類都有體形小、質(zhì)量輕的特征，因而鳥撞的破壞主要來自被撞擊物的速度而非鳥類本身的質(zhì)量。由于飛機相對高速列車的速度高的多，與飛鳥發(fā)生碰撞后造成的破壞更大，嚴重時會造成飛機的墜毀。在中國飛機由于鳥撞原因造成的飛行事故已占事故總數(shù)的1/3，在美國由于鳥擊造成的經(jīng)濟損失每年6億美元，因此鳥撞問題越來越引起人們的關(guān)注[1]。本文采用Pam-crash軟件對尾翼前緣結(jié)構(gòu)的抗鳥撞能力進行研究，發(fā)現(xiàn)在需要保護的零組件前增加吸能結(jié)構(gòu)是提高抗鳥撞能力的有效方案。

1結(jié)構(gòu)簡介

尾翼前緣采用典型的蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)形式，在滿足氣動要求的前提下提高抗鳥撞能力，盒段采用典型的前后梁加肋的形式。依據(jù)CCAR-25-R4[2]的要求，尾翼結(jié)構(gòu)必須承受8lb的鳥體撞擊，仍能繼續(xù)安全飛行和著陸，其它部位僅需滿足4lb鳥體的撞擊，因此，尾翼前緣抗鳥撞設(shè)計要求更高，難度更大。基于上述原因設(shè)計時在前緣與前梁之間增加了輔助梁以提高抗鳥撞能力，結(jié)構(gòu)示意圖見圖 1。

2計算模型

2.1 鳥體模型

鳥撞問題屬于典型的大變形問題，在分析中鳥體采用SPH算法，該方法可以避免鳥體在高速沖擊時產(chǎn)生大的變形和分散飛濺致使計算終止。

鳥體的形狀采用兩端帶半球形的圓柱體，鳥體的長度為半徑的4倍。建模時首先在Pam-crash前處理中建立鳥體幾何模型并將其離散為規(guī)則的solid單元，然后將solid單元轉(zhuǎn)化為SPH粒子。鳥體的solid單元模型和SPH粒子模型見圖 2。

2.2 結(jié)構(gòu)有限元模型

建模時考慮到計算效率及結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，在鳥撞關(guān)心的前梁之前區(qū)域采用了較細的網(wǎng)格以模擬結(jié)構(gòu)損傷，在非關(guān)心的盒段區(qū)域采用較粗的網(wǎng)格保證剛度等效即可，有限元模型見圖 3。其中，蒙皮、肋以及梁采用shell單元模擬，蜂窩采用solid單元模擬，緊固件采用plink單元模擬。

3計算結(jié)果與分析

尾翼結(jié)構(gòu)在遭受鳥體撞擊時，鳥體首先與前緣發(fā)生撞擊，使其發(fā)生穿透性破壞；然后鳥體撞擊到輔助梁上使之發(fā)生塑性變形，局部有裂紋；最后鳥體散落在輔助梁之前沒有接觸前梁，前梁無損傷。鳥撞位置及結(jié)構(gòu)損傷情況見圖4。

由仿真結(jié)果可知，前緣在遭受鳥撞時極易發(fā)生破壞，而輔助梁對前梁起到了很好的保護作用，僅發(fā)生塑性變形，無穿透。這表明在前梁之前增加吸能結(jié)構(gòu)是有效的抗鳥撞方式，這與CCAR-25.631的指導(dǎo)建議是匹配的。鳥體在撞擊前緣和輔助梁時在完整性方面呈現(xiàn)不同的特征，在撞擊前緣時較完整，而在撞擊輔助梁時呈現(xiàn)發(fā)散狀態(tài)，隨著鳥體肢體的破離，對結(jié)構(gòu)的損傷逐漸減弱。

4結(jié)論

本文采用Pam-crash軟件對尾翼前緣結(jié)構(gòu)抗鳥撞能力進行了研究，發(fā)現(xiàn)①在前緣與前梁之間增加吸能結(jié)構(gòu)是一種有效的提高抗鳥撞能力的方案。②鳥體在發(fā)生多次撞擊時，肢體破離，能量逐漸分散，對結(jié)構(gòu)的損傷逐漸減弱，多級疏導(dǎo)也是一種有效提高抗鳥撞能力的方法。

參考文獻：

[1]J.R.Allan.A Protocol for Bird Strike Risk Assessment at Airport.Proceedings of the 25th International Bird Strike Committee.Vol I，29-46，2000.

[2]《中國民用航空規(guī)章 第25部 運輸類飛機適航標準 CCAR-25-R4》[S]. 中國民用航空總局.