張敬宸

摘 要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，飛行航班越來(lái)越多，飛機(jī)的鳥(niǎo)撞事故也隨之增加，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片抗鳥(niǎo)撞的研究也顯得越來(lái)越重要。本文通過(guò)ANSYS/LSDYNA軟件建立了發(fā)動(dòng)機(jī)葉片抗鳥(niǎo)撞的有限元模型，對(duì)鳥(niǎo)體撞擊發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的過(guò)程和動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。計(jì)算獲得特征點(diǎn)的位移時(shí)間曲線，等效應(yīng)力等參數(shù)。計(jì)算分析了鳥(niǎo)體撞擊發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的根部，中部和尖端時(shí)鳥(niǎo)體和發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的變形過(guò)程和力學(xué)響應(yīng)的影響。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)葉片;鳥(niǎo)碰撞;有限元;數(shù)值模擬

中圖分類(lèi)號(hào)：V235.13 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）07-0056-03

1 研究背景和意義

現(xiàn)如今我國(guó)經(jīng)濟(jì)和科技快速發(fā)展，航空飛機(jī)的數(shù)量和班次都在隨之增加，但是飛機(jī)鳥(niǎo)撞事故一直在影響人們的飛行安全。據(jù)我國(guó)有關(guān)部門(mén)統(tǒng)計(jì)，在地面安全事故中，鳥(niǎo)類(lèi)碰撞事故占事故總數(shù)的21%。飛機(jī)鳥(niǎo)撞事故是航空發(fā)動(dòng)機(jī)異物損壞事故中最嚴(yán)重的一起，造成世界各地重大人員傷亡事故。它嚴(yán)重威脅著民航飛行的安全和軍事航空任務(wù)的安全，引起了國(guó)際社會(huì)的高度重視。當(dāng)鳥(niǎo)體撞擊發(fā)動(dòng)機(jī)葉片時(shí)，很容易使發(fā)動(dòng)機(jī)葉片變形，從而導(dǎo)致嚴(yán)重后果，例如發(fā)動(dòng)機(jī)推力下降。鳥(niǎo)撞發(fā)動(dòng)機(jī)葉片也可能使發(fā)動(dòng)機(jī)葉片斷裂，一旦發(fā)動(dòng)機(jī)葉片斷裂，極大可能引起發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)或其它系統(tǒng)的損毀。這些后果將影響航空航班的安全，也會(huì)帶來(lái)一些經(jīng)濟(jì)損失。因此，研究飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片防鳥(niǎo)撞擊的主題是飛機(jī)安全的根本保證。工程設(shè)計(jì)和研究部門(mén)一直非常重視?shū)B(niǎo)撞發(fā)動(dòng)機(jī)葉片預(yù)防措施的研究。設(shè)計(jì)和研究航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片防鳥(niǎo)撞擊保護(hù)裝置對(duì)于提高航空飛行安全性，減少財(cái)產(chǎn)損失，挽救乘客生命具有重要意義。[1]

1.1 研究現(xiàn)狀

在鳥(niǎo)撞發(fā)動(dòng)機(jī)葉片測(cè)試研究方面，一些外國(guó)航空公司采用了鳥(niǎo)類(lèi)測(cè)試刀片模型，但這種測(cè)試既昂貴又危險(xiǎn)。中國(guó)大多數(shù)研究機(jī)構(gòu)使用高壓空氣炮和高速攝影來(lái)研究鳥(niǎo)類(lèi)對(duì)飛機(jī)的影響。鳥(niǎo)類(lèi)碰撞的數(shù)值研究歸因于物理學(xué)中高速碰撞的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)，具有高瞬態(tài)非線性，嚴(yán)重?cái)嗔押透邞?yīng)變率。[2]在早期對(duì)于鳥(niǎo)撞問(wèn)題所研發(fā)了一些程序。例如，在1980年美國(guó)使用的MAGNA程序中，該程序使用解耦方法將鳥(niǎo)類(lèi)部分與飛機(jī)部分分開(kāi)，這具有一定的局限性。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)葉片研究的發(fā)展，鳥(niǎo)撞式發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的耦合算法程序已逐步投入使用，具有代表性的MSC.DYTRAN程序和LSDYNA程序。在1978年，Wilbeck就進(jìn)行了關(guān)于鳥(niǎo)撞發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的平板試驗(yàn)研究，研究了不同的鳥(niǎo)體在不同的速度撞擊剛性平板和柔性平板，并對(duì)研究的結(jié)果進(jìn)行分析計(jì)算。隨后，在1978年，巴伯測(cè)試了鳥(niǎo)類(lèi)的沖擊力對(duì)剛性目標(biāo)的影響隨時(shí)間的變化。并且根據(jù)靶板對(duì)于鳥(niǎo)撞擊的不同結(jié)果提出了3種不同的響應(yīng)模型。它們是理想的剛體模型和局部剛體模型以及局部變形模型。在此之后的學(xué)者均以 Wilbeck和 Barber的試驗(yàn)結(jié)論為基礎(chǔ)，提出了許多鳥(niǎo)撞發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的簡(jiǎn)化模型，這些模型為鳥(niǎo)類(lèi)碰撞問(wèn)題的解耦算法和研究分析奠定了基礎(chǔ)。

1.2 研究方法和研究?jī)?nèi)容

本文運(yùn)用LS/DYNA軟件建立了鳥(niǎo)體撞擊發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的數(shù)值計(jì)算模型。研究了發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作狀態(tài)下鳥(niǎo)體撞擊葉片根部、中間部位和頂部時(shí)葉片的變形和受力情況，為發(fā)動(dòng)機(jī)葉片抗鳥(niǎo)撞設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的參考。[3]

2 數(shù)值模型的建立

2.1 網(wǎng)格模型

利用有限元的思想，將物理上所要求解的結(jié)構(gòu)或者連續(xù)體離散為若干個(gè)小單元，并且每個(gè)小單元之間通過(guò)節(jié)點(diǎn)相連接，構(gòu)成了整個(gè)連續(xù)體或結(jié)構(gòu)。待求解的場(chǎng)函數(shù)或其導(dǎo)函數(shù)的節(jié)點(diǎn)值及近似差值函數(shù)確定單元中的假設(shè)的近似函數(shù)，該近似函數(shù)分塊代表著待求的未知變量，通過(guò)與待求問(wèn)題等效的方法建立單元節(jié)點(diǎn)方程組，利用計(jì)算機(jī)求解節(jié)點(diǎn)的未知變量，這樣就將連續(xù)體中的無(wú)限自由度問(wèn)題轉(zhuǎn)化為有限個(gè)離散單元的自由度的問(wèn)題。得到的單元節(jié)點(diǎn)值后，通過(guò)假設(shè)的近似函數(shù)確定場(chǎng)函數(shù)，從而得到原問(wèn)題的解。將已建立的模型導(dǎo)入ANSYS中對(duì)其進(jìn)行前處理，然后對(duì)其進(jìn)行單元?jiǎng)澐?。定義接觸類(lèi)型為點(diǎn)面接觸，建立的模型，如圖1所示。

2.2 材料參數(shù)

在葉片鳥(niǎo)撞擊瞬態(tài)響應(yīng)研究中，把鳥(niǎo)和葉片做出對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格模型。計(jì)算時(shí)鳥(niǎo)體取初始速度為180m/s，鳥(niǎo)體材料其密度為950kg/m3，彈性模量為3.6GPa，泊松比為0.45，楊氏模量為0.99GPa，失效應(yīng)變0.55。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)置為剛體，和葉片共節(jié)點(diǎn)連接，轉(zhuǎn)速達(dá)到12000r/min，葉片材料為鈦合金，其楊氏模量為115GPa，密度為4480kg/m3，泊松比為0.3，屈服應(yīng)力為1003MPa，塑性硬化模量為1150MPa。[4]

2.3 情景模擬

將鳥(niǎo)體模型在ANSYS軟件里延y軸方向位移，得到三組鳥(niǎo)體撞擊葉片的模型。分別是鳥(niǎo)體撞擊發(fā)動(dòng)機(jī)葉片根部，鳥(niǎo)體撞擊發(fā)動(dòng)機(jī)葉片中部，鳥(niǎo)體撞擊發(fā)動(dòng)機(jī)葉片梢部。分別將三組模型進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)LSPREPOST軟件將計(jì)算出的結(jié)果顯示出來(lái)。利用LSPREPOST軟件計(jì)算出葉片各點(diǎn)所受到的應(yīng)變力大小及位移大小。

葉片初始轉(zhuǎn)速延順時(shí)針?lè)较颍笮椋?2000轉(zhuǎn)/分鐘。鳥(niǎo)體沖擊速度為180米/秒。將已經(jīng)規(guī)定好速度的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片和鳥(niǎo)體帶入LS-DYNA進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算出鳥(niǎo)撞發(fā)動(dòng)機(jī)葉片根部、中部、梢部三個(gè)部位時(shí)鳥(niǎo)體和發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的變形過(guò)程和動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)，獲得特振點(diǎn)的位移時(shí)間曲線，等效應(yīng)力等數(shù)據(jù)。

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

鳥(niǎo)體被葉片切割后，被切割的一部分從發(fā)動(dòng)機(jī)下部穿過(guò)，上半部分從葉片的中的間隙中穿過(guò)。其中，在鳥(niǎo)體撞擊根部時(shí)，大部分鳥(niǎo)體穿過(guò)輪盤(pán)，可能對(duì)后續(xù)的氣壓機(jī)進(jìn)行損傷，撞擊葉片根部過(guò)程中葉片變形小，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的損傷較小。撞擊中部時(shí)，鳥(niǎo)體被切割的成度較大，部分鳥(niǎo)體順輪盤(pán)穿過(guò)，其余部分鳥(niǎo)體被葉片切割，順葉片間隙穿過(guò)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響較小，所撞擊的葉片有所改變。在撞擊葉片梢部時(shí)葉片的變形程度最大，發(fā)生了很大的形變，并且所影響的葉片較多，可能會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法正常工作。

鳥(niǎo)體撞擊葉片不同高度（根部、中部、梢部）時(shí)，通過(guò)LS-DYNA進(jìn)行計(jì)算得出撞擊結(jié)果。分別將三次撞擊過(guò)程分為7個(gè)不同的時(shí)刻進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)對(duì)比得出在鳥(niǎo)體撞擊根部時(shí)鳥(niǎo)體撞擊葉片數(shù)為3，對(duì)葉片的影響最小。在鳥(niǎo)體撞擊中部時(shí)鳥(niǎo)體撞擊葉片數(shù)為3，對(duì)葉片有較多的影響。當(dāng)鳥(niǎo)體撞擊梢部時(shí)鳥(niǎo)體撞擊葉片數(shù)為4，對(duì)葉片的影響最大。選出各個(gè)情況中的特振點(diǎn)生成應(yīng)變力隨時(shí)間變化的圖像如圖2-圖7所示。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本次研究得出：鳥(niǎo)體撞擊的部位對(duì)于葉片的變形程度有較大的影響。當(dāng)鳥(niǎo)體撞擊發(fā)動(dòng)機(jī)葉片根部時(shí)對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的影響最小。當(dāng)鳥(niǎo)體撞擊發(fā)動(dòng)機(jī)葉片中部時(shí)會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片造成一定的變形。當(dāng)鳥(niǎo)體撞擊發(fā)動(dòng)機(jī)梢部時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片位移較大，葉片之間互相影響將會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片造成嚴(yán)重變形，發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法正常工作，可能會(huì)引起較大的事故。因此，要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)梢部進(jìn)行相應(yīng)的防護(hù)來(lái)保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作。

參考文獻(xiàn)

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