張俊紅，劉志遠(yuǎn)，戴胡偉，Reza Hedayati，袁?一，張桂昌

撞擊位置與風(fēng)扇轉(zhuǎn)速對(duì)鳥撞過程的影響

張俊紅1, 2，劉志遠(yuǎn)1，戴胡偉1，Reza Hedayati3，袁?一1，張桂昌4

(1. 天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300350；2. 天津大學(xué)仁愛學(xué)院，天津 301636；3. 代爾夫特理工大學(xué)航空航天工程學(xué)院，代爾夫特 2600AA；4. 中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院，天津 300300)

鳥撞航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片嚴(yán)重威脅航空發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行安全．對(duì)綠頭鴨進(jìn)行CT掃描，通過光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)(SPH)法建立綠頭鴨真實(shí)鳥模型．將真實(shí)鳥模型及傳統(tǒng)鳥體簡化模型撞擊平板仿真結(jié)果與Wilbeck真實(shí)鳥撞擊平板試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了真實(shí)鳥模型的準(zhǔn)確性．對(duì)比分析了鳥撞靜止風(fēng)扇葉片與鳥撞旋轉(zhuǎn)風(fēng)扇葉片條件下鳥體及風(fēng)扇葉片的瞬態(tài)沖擊響應(yīng)；選取836r/min、1984r/min、3344r/min及3772r/min 4個(gè)典型風(fēng)扇轉(zhuǎn)速研究了風(fēng)扇轉(zhuǎn)速對(duì)鳥撞過程的影響；分別選取1/6、2/6、3/6、4/6、5/6葉高位置為撞擊位置，研究了撞擊位置對(duì)鳥撞過程的影響．結(jié)果表明：葉片旋轉(zhuǎn)對(duì)撞擊過程中鳥體被切割塊數(shù)、單個(gè)鳥塊質(zhì)量及受沖擊葉片數(shù)量有直接影響，不考慮葉片旋轉(zhuǎn)條件下的接觸力、葉根應(yīng)力、前緣應(yīng)力等值明顯低于考慮葉片旋轉(zhuǎn)條件，使得對(duì)葉片應(yīng)力及損傷預(yù)估偏保守，不利于葉片強(qiáng)度設(shè)計(jì)，因此在研究鳥撞過程中對(duì)葉片旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)應(yīng)予以考慮．836r/min轉(zhuǎn)速下鳥體與葉片相互作用方式與其他轉(zhuǎn)速有明顯區(qū)別，836r/min轉(zhuǎn)速下鳥體動(dòng)能減小，其他轉(zhuǎn)速下鳥體動(dòng)能增加，且鳥體動(dòng)能增量隨轉(zhuǎn)速增大而增大；836r/min轉(zhuǎn)速下前緣應(yīng)力峰值要大于1984r/min轉(zhuǎn)速，其他轉(zhuǎn)速下，前緣應(yīng)力峰值隨轉(zhuǎn)速增加而增大；接觸力、葉根應(yīng)力隨轉(zhuǎn)速的增大而增大．隨撞擊高度的增加，在撞擊點(diǎn)相對(duì)速度及葉片扭轉(zhuǎn)角共同作用下，接觸力、鳥體動(dòng)能增量、葉根應(yīng)力峰值、鳥體動(dòng)能、葉片前緣應(yīng)力均呈先增大后減小趨勢(shì)，撞擊3/6葉高位置時(shí)前緣峰值應(yīng)力及鳥體動(dòng)能增量最大，撞擊4/6葉高位置時(shí)葉根峰值應(yīng)力及接觸力最大．

綠頭鴨；鳥撞；撞擊位置；風(fēng)扇轉(zhuǎn)速；撞擊響應(yīng)

根據(jù)美國聯(lián)邦航空管理局(Federal Aviation Administration，F(xiàn)AA)統(tǒng)計(jì)[1]，飛機(jī)受撞擊次數(shù)從1990年的1850次到2018年創(chuàng)紀(jì)錄的16020次，鳥撞次數(shù)占到了野生動(dòng)物撞擊飛機(jī)總數(shù)的94.7%．其中，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)被鳥撞次數(shù)最多，占所有撞擊事件的37.21%．風(fēng)扇位于發(fā)動(dòng)機(jī)的最前端，是發(fā)動(dòng)機(jī)受到撞擊時(shí)最先被撞擊的部件，研究鳥撞風(fēng)扇對(duì)于發(fā)展風(fēng)扇葉片安全強(qiáng)度設(shè)計(jì)理論具有重要的科學(xué)意義，對(duì)于風(fēng)扇葉片適航認(rèn)證具有重要工程應(yīng)用價(jià)值．

鳥撞風(fēng)扇研究主要有實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)值模擬方法兩種．傳統(tǒng)的飛機(jī)抗鳥撞設(shè)計(jì)方法是先加工和測(cè)試，再根據(jù)測(cè)試結(jié)果重新設(shè)計(jì)測(cè)試[2-3]．由于鳥體個(gè)體之間存在差異以及射出時(shí)鳥體姿勢(shì)難以控制，使得真實(shí)鳥撞實(shí)驗(yàn)重復(fù)性較差[4]；而且風(fēng)扇價(jià)格昂貴及風(fēng)扇葉片損傷的不可逆性，使得重復(fù)實(shí)驗(yàn)成本較高.近年來，隨著數(shù)值模擬方法日漸成熟，越來越多的研究者開始采用數(shù)值模擬方法開展鳥撞風(fēng)扇研究.

在鳥撞風(fēng)扇的數(shù)值模擬研究中，鳥體模型普遍采用簡單幾何體替代，主要的替代鳥體模型有球體模型、圓柱體模型、半球端圓柱體模型及橢球體模??型[2-3, 5]．上述簡單替代鳥體模型只是對(duì)于真實(shí)鳥體軀干的近似簡化，忽略了鳥體頭部、翅膀等其他部位對(duì)撞擊過程的影響．Hedayati等[5]建立了一種幾何形狀上類似于真鳥的鳥模型，模擬該鳥模型以及其他4種鳥體模型(球體、圓柱體、半球端圓柱體及橢球體)撞擊平板過程，并與Wilbeck鳥撞平板實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較，結(jié)果表明該類鳥模型更加接近Wilbeck的實(shí)驗(yàn)結(jié)果. Zhang等[6]建立了一種帶有更多幾何特征的新的鳥模型，并用該模型和半球端圓柱體模型模擬鳥撞靜止風(fēng)扇，研究鳥體幾何模型的影響，模擬結(jié)果表明鳥體幾何模型對(duì)撞擊結(jié)果及風(fēng)扇的撞擊響應(yīng)有明顯的影響．為獲取更加接近真實(shí)鳥撞情況下的撞擊響應(yīng)結(jié)果，Hedayati等[7]通過CT掃描方法建立綠頭鴨光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)(smoothed particle hydrodynam-ics，SPH)模型，該鳥體模型撞擊平板的模擬結(jié)果比傳統(tǒng)的半球端圓柱體模型更加接近Wilbeck實(shí)驗(yàn)的結(jié)果．相比于其他4種簡單的替代鳥體模型，真實(shí)的鳥體模型可以更加真實(shí)地反映鳥撞剛性板過程中鳥體與剛性板相互作用的過程．真實(shí)鳥體模型的建立使真實(shí)鳥撞擊全尺度風(fēng)扇的模擬成為可能．

國內(nèi)外已有許多學(xué)者進(jìn)行了鳥撞風(fēng)扇葉片過程仿真研究[6, 8-10]，但大多未考慮風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)鳥撞過程的影響．Miyachi等[11]及陳偉等[12]的研究表明，處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的葉片由于其離心載荷的作用，葉片的局部剛度與整體剛度都得到加強(qiáng)，此時(shí)的葉片瞬態(tài)響應(yīng)不同于不考慮離心載荷時(shí)葉片的響應(yīng)．Zhang等[6]在進(jìn)行鳥撞靜止風(fēng)扇時(shí)的研究結(jié)果也表明風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)對(duì)鳥撞過程的影響不可忽略．根據(jù)FAA對(duì)鳥撞飛機(jī)發(fā)生時(shí)所在的飛行階段統(tǒng)計(jì)[1]，鳥撞有可能發(fā)生在起飛滑跑、爬升、巡航、進(jìn)場著陸等各個(gè)階段，不同飛行階段其風(fēng)扇轉(zhuǎn)速不同，轉(zhuǎn)速變化使得鳥撞過程更加復(fù)雜．

本文通過CT掃描圖像建立綠頭鴨SPH模型，研究分析比較鳥撞靜止風(fēng)扇與鳥撞旋轉(zhuǎn)風(fēng)扇時(shí)葉片以及鳥體的瞬態(tài)撞擊響應(yīng)；根據(jù)某航空飛機(jī)不同飛行階段下的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，研究風(fēng)扇轉(zhuǎn)速及鳥撞位置對(duì)葉片瞬態(tài)沖擊響應(yīng)的影響．

1?數(shù)值模型

1.1?網(wǎng)格模型

圖1所示為FAA統(tǒng)計(jì)的野生動(dòng)物撞擊飛機(jī)次數(shù)及各部件發(fā)生鳥撞的比例[1]．FAA統(tǒng)計(jì)表明，從1990—2018年，綠頭鴨撞飛機(jī)次數(shù)高達(dá)1064次，造成總的飛機(jī)停機(jī)時(shí)間達(dá)14084h，是對(duì)飛行安全威脅最大的鳥類之一[5]．本文以綠頭鴨為研究對(duì)象進(jìn)行鳥撞模擬．

圖1 野生動(dòng)物撞擊飛機(jī)次數(shù)及各部件發(fā)生鳥撞比例

本文研究的綠頭鴨質(zhì)量為800g，體長400mm，翼展450mm．將綠頭鴨麻醉并呈飛行姿態(tài)固定在掃描床，使用CT掃描儀對(duì)綠頭鴨進(jìn)行CT掃描，如圖2(a)所示，獲取1566張醫(yī)學(xué)數(shù)字成像(DICOM)圖像，利用DICOM圖像及SPH方法建立綠頭鴨SPH模型．將綠頭鴨SPH模型離散為41685個(gè)SPH單元，每個(gè)單元的質(zhì)量為0.0192g．建模過程如圖2所示．該模型不僅充分反映了綠頭鴨頭、脖子、軀干、翅膀以及爪等部位的幾何結(jié)構(gòu)，還真實(shí)描繪了綠頭鴨內(nèi)部的空腔結(jié)構(gòu)．

圖2?綠頭鴨SPH模型建模過程

本文研究的風(fēng)扇葉片來自某渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，由24片窄弦葉片組成，葉高603.2mm，初始扭轉(zhuǎn)角為61.3°，使用六面體單元對(duì)整級(jí)風(fēng)扇進(jìn)行網(wǎng)格離散，網(wǎng)格數(shù)為1520208，如圖3所示．

圖3?風(fēng)扇有限元網(wǎng)格模型

1.2?材料模型

鳥體材料采用Null材料模型(空材料模型)結(jié)合Gruneisen狀態(tài)方程來描述[13]．在Null材料參數(shù)中提供模型的本構(gòu)關(guān)系計(jì)算黏性應(yīng)力，使用狀態(tài)方程來計(jì)算壓力．Null材料模型中材料密度為938kg/m3．對(duì)于壓縮材料，Gruneisen狀態(tài)方程定義壓力為

對(duì)于膨脹材料，Gruneisen狀態(tài)方程定義壓力為

文中風(fēng)扇的材料為Ti-6Al-4V鈦合金，采用塑性隨動(dòng)硬化模型(MAT_PLASTIC_KINEMATIC)[14]，材料參數(shù)如表1[6]所示．

表1?葉片材料參數(shù)

Tab.1?Blade material parameters

1.3?邊界條件

1.3.1?風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)對(duì)鳥撞過程的影響

鳥撞事件發(fā)生時(shí)，風(fēng)扇處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，已有的研究中大多未考慮風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)對(duì)撞擊過程的影響．本文將鳥撞靜止風(fēng)扇及鳥撞旋轉(zhuǎn)風(fēng)扇葉片計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比．

保持撞擊位置及鳥體初速度一致，撞擊位置為3/6葉高位置，鳥體初速度為116m/s；鳥撞靜止風(fēng)扇時(shí)，固定風(fēng)扇輪轂6個(gè)自由度；撞擊旋轉(zhuǎn)風(fēng)扇時(shí)，風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速設(shè)為3772r/min(最大連續(xù)轉(zhuǎn)速)．

1.3.2?風(fēng)扇轉(zhuǎn)速對(duì)鳥撞過程的影響

據(jù)FAA統(tǒng)計(jì)，鳥撞可以發(fā)生在飛行過程中的每一階段[5]．飛行每一階段風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速變化都會(huì)導(dǎo)致鳥撞風(fēng)扇葉片動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性隨之變化．

根據(jù)該飛機(jī)單次起落循環(huán)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速波動(dòng)統(tǒng)計(jì)，選取滑跑階段(836r/min)、爬升階段(3772r/min)、巡航階段(3344r/min)、下降階段(1984r/min)以及著陸滑跑階段(836r/min)5種典型工況對(duì)應(yīng)的4個(gè)轉(zhuǎn)速作為風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)初始邊界條件[15]．鳥體初速度為116m/s，撞擊位置為3/6葉高位置，如圖4所示．

圖4?鳥撞風(fēng)扇葉片

1.3.3?撞擊位置對(duì)鳥撞過程的影響

葉片高度約為鳥體高度的6倍，因而分別選取1/6葉高位置、2/6葉高位置、3/6葉高位置、4/6葉高位置以及5/6葉高位置作為撞擊位置．風(fēng)扇轉(zhuǎn)速3772r/min，鳥體初速度116m/s．

2?模型驗(yàn)證

將綠頭鴨鳥體模型及傳統(tǒng)簡化鳥體模型撞擊剛性板仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證綠頭鴨鳥體模型的準(zhǔn)確性．

文獻(xiàn)[3，5]對(duì)比分析了半球端圓柱體、圓柱體、球體以及橢球體4種替代鳥體模型撞擊平板的仿真結(jié)果，研究表明半球端圓柱體比其他替代模型更加接近試驗(yàn)結(jié)果．本文選取半球端圓柱體模型撞擊平板計(jì)算結(jié)果作為對(duì)比．

Meguid等[8]的研究表明，替代鳥體模型的長徑比對(duì)鳥撞剛性板以及風(fēng)扇葉片的撞擊結(jié)果影響不大．參考文獻(xiàn)[16-18]，本文半球端圓柱體替代鳥體模型的長徑比取為2，根據(jù)綠頭鴨的質(zhì)量以及鳥體密度計(jì)算得到半球端圓柱體模型的直徑為86.9mm，長度為173.8mm．采用SPH方法對(duì)半球端圓柱體進(jìn)行離散化，SPH粒子數(shù)為32038，每個(gè)粒子的質(zhì)量為0.02497g．

本文將撞擊中心壓力曲線仿真計(jì)算結(jié)果與Wilbeck鳥撞平板試驗(yàn)結(jié)果[19]進(jìn)行對(duì)比．Wilbeck試驗(yàn)裝置如圖5所示，該試驗(yàn)通過模擬鳥以116m/s的初速度撞擊固定剛性目標(biāo)板，在目標(biāo)板中心放置壓力傳感器，獲取撞擊中心處的壓力曲線．

圖5?Wilbeck鳥撞試驗(yàn)

本文綠頭鴨以及半球端圓柱體的初速度與Wilbeck試驗(yàn)鳥體初速度一致．綠頭鴨尾部朝向平板，垂直撞向平板中心；半球端圓柱體以端部垂直撞向平板中心．剛性目標(biāo)板固定，在剛性目標(biāo)板中心放置殼單元，通過固連接觸將殼單元節(jié)點(diǎn)約束、限定在圓盤外表面節(jié)點(diǎn)上，用以獲取目標(biāo)板中心的壓力曲線．目標(biāo)板厚度為60mm，直徑為600mm，采用六面體單元對(duì)平板進(jìn)行網(wǎng)格離散化，網(wǎng)格數(shù)量為18000．平板、殼單元及鳥的位置如圖6所示．

圖6?鳥體撞擊平板模型

計(jì)算在DELL T5610工作站上進(jìn)行．傳統(tǒng)替代鳥體模型及綠頭鴨模型計(jì)算時(shí)間分別為24min、29min，傳統(tǒng)替代鳥體模型求解速度略高于綠頭鴨模型，但由于模型整體求解時(shí)間較短，因此兩種模型計(jì)算時(shí)間消耗差別較小．

綠頭鴨及半球端圓柱體撞擊目標(biāo)板過程中，撞擊中心處壓力曲線與Wilbeck試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖7所示．半球端圓柱體模型撞擊平板時(shí)中心峰值壓力為83.3MPa，綠頭鴨SPH模型撞擊平板時(shí)的中心峰值壓力為46.9MPa，更加接近Wilbeck試驗(yàn)峰值．撞擊過程中初始接觸面積對(duì)撞擊過程的峰值壓力(hugoniot pressure)有很大的影響，初始接觸面積越大，峰值壓力越高．

綠頭鴨SPH模型尾部撞擊時(shí)的初始接觸面積比半球端圓柱體更小，因而綠頭鴨模型的峰值壓力低于半球端圓柱體的峰值壓力．相比于半球端圓柱體模型，綠頭鴨模型整個(gè)撞擊過程中心壓力曲線都與試驗(yàn)值吻合更好．綠頭鴨SPH模型可更真實(shí)地反映鳥撞過程及其動(dòng)力學(xué)特性．綜合考慮計(jì)算速度及計(jì)算精度，選取綠頭鴨模型進(jìn)行后續(xù)研究．

圖7?撞擊中心壓力對(duì)比

3?結(jié)果與討論

美國FAR-33、中國CCAR33及歐洲CS-E800適航條例中選用葉根應(yīng)力及前緣應(yīng)力作為吸鳥試驗(yàn)的關(guān)鍵撞擊參數(shù)，該參數(shù)反映了發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片的損傷情況[20]．鳥體動(dòng)能的變化是由葉片動(dòng)能轉(zhuǎn)化而來的，鳥體動(dòng)能的變化能反映葉片動(dòng)能的變化；而葉片本身的動(dòng)能損失越多，葉片的損傷程度也越嚴(yán)重[14]．接觸力可反映風(fēng)扇在整個(gè)過程中的受力情況[6]，因而本文將通過葉根應(yīng)力、前緣應(yīng)力、接觸力、鳥體動(dòng)能來分析鳥撞過程的瞬態(tài)響應(yīng)．

3.1?風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)對(duì)撞擊過程的影響

圖8為撞擊即將結(jié)束時(shí)刻的鳥體狀態(tài)．風(fēng)扇靜止時(shí)，鳥體與3個(gè)葉片發(fā)生了撞擊，被葉片切割成2個(gè)大鳥塊及2個(gè)極小的鳥塊；撞擊旋轉(zhuǎn)風(fēng)扇時(shí)，由于風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動(dòng)，鳥體與6個(gè)葉片發(fā)生了撞擊，被切割成7個(gè)鳥塊．

圖8?撞擊即將結(jié)束時(shí)刻鳥體狀態(tài)

圖9(a)為撞擊過程中鳥體動(dòng)能時(shí)間曲線，是否考慮風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)對(duì)撞擊過程中鳥體動(dòng)能變化有很大影響．鳥撞靜止風(fēng)扇時(shí)，鳥的動(dòng)能由5.38kJ減小至4.67kJ；鳥撞旋轉(zhuǎn)風(fēng)扇時(shí)，葉片在切割鳥體的同時(shí)沿周向拍擊鳥塊，使鳥塊周向速度增加，導(dǎo)致鳥體動(dòng)能由初始的5.38kJ增加到32.03kJ．

圖9(b)為鳥撞風(fēng)扇的接觸力時(shí)間曲線，鳥撞旋轉(zhuǎn)風(fēng)扇接觸力峰值為128kN，遠(yuǎn)高于撞靜止風(fēng)扇時(shí)的接觸力峰值25kN．

圖9(c)為鳥撞風(fēng)扇過程中葉根應(yīng)力時(shí)間曲線，撞擊旋轉(zhuǎn)風(fēng)扇過程中葉根應(yīng)力峰值為1346.2MPa，遠(yuǎn)高于撞靜止風(fēng)扇時(shí)的葉根應(yīng)力峰值340.9MPa．

圖9(d)為鳥撞風(fēng)扇過程中前緣撞擊處的應(yīng)力時(shí)間曲線，撞擊旋轉(zhuǎn)風(fēng)扇過程中撞擊處前緣應(yīng)力峰值為2042.4MPa，遠(yuǎn)高于撞擊靜止風(fēng)扇過程中的前緣應(yīng)力峰值484.8MPa．

葉片是否旋轉(zhuǎn)對(duì)撞擊過程中鳥體被切割塊數(shù)、單個(gè)鳥塊大小及受沖擊葉片數(shù)量有直接影響，導(dǎo)致不考慮葉片旋轉(zhuǎn)情況下鳥體動(dòng)能、接觸力、葉根應(yīng)力、前緣應(yīng)力值明顯低于考慮葉片旋轉(zhuǎn)條件，使得對(duì)葉片應(yīng)力及損傷預(yù)估偏保守，不利于葉片強(qiáng)度設(shè)計(jì)，因此在研究鳥撞過程中對(duì)葉片旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)應(yīng)予以考慮．

3.2?風(fēng)扇轉(zhuǎn)速對(duì)撞擊過程的影響

圖10為鳥撞不同轉(zhuǎn)速風(fēng)扇時(shí)的鳥體撞擊響應(yīng). 風(fēng)扇轉(zhuǎn)速越大鳥體被切割成鳥塊的數(shù)量越多，單個(gè)鳥塊質(zhì)量越?。?36r/min轉(zhuǎn)速下最大鳥塊質(zhì)量遠(yuǎn)大于其他轉(zhuǎn)速下最大鳥塊質(zhì)量，且在該轉(zhuǎn)速下鳥體被葉片切割后，葉盆不再作用于該鳥塊，葉背側(cè)鳥塊撞擊該葉片的葉背；在其他轉(zhuǎn)速下，鳥體被葉片切割的同時(shí)，葉盆拍擊該鳥塊，其后的鳥塊與該葉片葉背不發(fā)生撞擊，而撞向后一塊葉片．

圖10?不同轉(zhuǎn)速下鳥體瞬態(tài)撞擊響應(yīng)

圖11(a)為不同轉(zhuǎn)速下撞擊過程中鳥體動(dòng)能時(shí)間曲線；風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為836r/min時(shí)，撞擊過程中鳥的動(dòng)能下降，從5.38kJ減小到4.86kJ，其他轉(zhuǎn)速下，鳥的動(dòng)能增大，且風(fēng)扇轉(zhuǎn)速越高，鳥體動(dòng)能增加的幅度越大，1984r/min、3344r/min及3772r/min轉(zhuǎn)速下鳥體動(dòng)能增量分別為3.72kJ、19.40kJ和26.65kJ，如表2所示．從整個(gè)撞擊過程看，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為836r/min時(shí)，葉片在切割鳥體過程中葉盆與被切割下的鳥塊不發(fā)生撞擊，而是后續(xù)的鳥塊撞擊葉背，鳥塊運(yùn)動(dòng)受阻，鳥動(dòng)能減??；其他轉(zhuǎn)速下，葉片在切割鳥體過程中，葉盆拍擊鳥塊，使鳥動(dòng)能增加，速度越大拍擊作用越大，鳥動(dòng)能增加幅度越大．

圖11 不同轉(zhuǎn)速下鳥體動(dòng)能、接觸力、葉根應(yīng)力及前緣應(yīng)力

圖11(b)為不同風(fēng)扇轉(zhuǎn)速下接觸力時(shí)間曲線．風(fēng)扇轉(zhuǎn)速越大接觸力越大，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速836r/min、1984r/min、3344r/min及3772r/min下撞擊過程中接觸力峰值分別為7.7kN、31.2kN、115.3kN和128.0kN，如表2所示．風(fēng)扇轉(zhuǎn)速836r/min下，風(fēng)扇葉片切割鳥體后，葉盆側(cè)鳥塊與該切割葉片不發(fā)生撞擊，葉背側(cè)鳥塊撞擊葉背，該轉(zhuǎn)速下，葉背側(cè)鳥塊撞擊葉片時(shí)，接觸表面法向的相對(duì)速度小，因而接觸力?。欢谄渌L(fēng)扇轉(zhuǎn)速下，葉片切割鳥體的同時(shí)葉盆側(cè)拍擊鳥塊，且接觸面法向的相對(duì)速度也較836r/min時(shí)大，因而接觸力更大．撞擊過程中接觸力峰值隨風(fēng)扇轉(zhuǎn)速升高而增大．

圖11(c)為不同風(fēng)扇轉(zhuǎn)速下撞擊過程中葉根應(yīng)力時(shí)間曲線．轉(zhuǎn)速越大，撞擊過程中葉根應(yīng)力越大，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速836r/min、1984r/min、3344r/min及3772 r/min下撞擊過程中的葉根應(yīng)力峰值分別為230MPa、424MPa、992MPa和1346MPa，如表2所示．

圖11(d)為不同風(fēng)扇轉(zhuǎn)速下撞擊過程中風(fēng)扇葉片前緣應(yīng)力時(shí)間曲線．轉(zhuǎn)速836r/min時(shí)葉片切割的鳥塊要大于1984r/min，因而風(fēng)扇轉(zhuǎn)速836r/min下的葉片前緣應(yīng)力峰值433MPa高于轉(zhuǎn)速1984r/min下葉片前緣應(yīng)力峰值．轉(zhuǎn)速1984r/min、3344r/min及3772r/min前緣應(yīng)力峰值隨轉(zhuǎn)速的增大而增大，分別為377MPa、1770MPa和2042MPa，如表2?所示．

表2 不同轉(zhuǎn)速下的鳥體動(dòng)能增量、最大接觸力、葉根應(yīng)力及前緣應(yīng)力

Tab.2 Bird kinetic energy increment，maximum contact force，and stresses at the blade root and leading edge at different rotational speeds

836r/min轉(zhuǎn)速下鳥與風(fēng)扇相互作用的方式不同于其他轉(zhuǎn)速，為葉片切割鳥體，葉盆側(cè)鳥塊與該切割葉片不發(fā)生撞擊作用，葉背側(cè)鳥塊撞擊該葉片葉背；其他轉(zhuǎn)速下，葉片切割鳥體的同時(shí)葉盆拍擊鳥塊，葉背不與下一鳥塊發(fā)生撞擊．接觸力、葉根應(yīng)力隨轉(zhuǎn)速的增大而增大；836r/min轉(zhuǎn)速下鳥體動(dòng)能減小，其他轉(zhuǎn)速下鳥體動(dòng)能增加，且鳥體動(dòng)能增量隨轉(zhuǎn)速增大而增大．836r/min轉(zhuǎn)速下前緣應(yīng)力峰值要大于1984r/min轉(zhuǎn)速下的值．轉(zhuǎn)速大于1984r/min后，前緣應(yīng)力峰值隨轉(zhuǎn)速增加而增大．

3.3?撞擊位置對(duì)撞擊過程的影響

圖12(a)為鳥撞不同位置接觸力時(shí)間曲線．接觸力的大小主要受撞擊位置切向線速度及葉片扭轉(zhuǎn)角影響．轉(zhuǎn)速一定時(shí)，撞擊位置越高，葉片撞擊位置的切向線速度越大；從葉根到葉尖，葉片扭轉(zhuǎn)角逐漸增大，即撞擊位置越高葉片扭轉(zhuǎn)的幅度越大，葉片對(duì)鳥體的切割作用越大，拍擊作用越?。矒粑恢脧?/6葉高到4/6葉高區(qū)域，接觸力主要受撞擊位置切向線速度影響，接觸力峰值隨著高度的增加而增加，4/6葉高位置接觸力峰值最大，為146.2kN，如表3所示；撞擊位置為4/6葉高到葉尖區(qū)域，撞擊過程中峰值接觸力主要受葉片扭轉(zhuǎn)角影響，接觸力峰值隨撞擊高度的增加逐漸降低，撞擊位置為5/6葉高時(shí)撞擊過程中接觸力峰值為133.0kN，小于4/6葉高位置．

與接觸力變化規(guī)律類似，葉根應(yīng)力峰值隨撞擊位置變化是撞擊區(qū)域切向線速度及葉片扭轉(zhuǎn)角共同作用的結(jié)果．撞擊位置從1/6葉高到4/6葉高區(qū)域，葉根應(yīng)力峰值隨著高度增加而增大，如圖12(b)所示，撞擊4/6葉高位置時(shí)葉根應(yīng)力峰值最大(1500MPa)，撞擊5/6葉高位置時(shí)葉根應(yīng)力峰值為1260MPa，低于撞擊4/6葉高位置的應(yīng)力峰值，如表3所示．

圖12(c)為不同撞擊位置下撞擊過程中鳥體動(dòng)能時(shí)間曲線．撞擊過程中在葉片拍擊作用下，鳥體動(dòng)能增加．鳥體動(dòng)能增量主要受接觸力影響，鳥體動(dòng)能增量隨撞擊高度變化規(guī)律總體與接觸力峰值隨撞擊高度變化規(guī)律一致，呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)．雖然最大接觸力峰值對(duì)應(yīng)撞擊位置為4/6葉高，但由于3/6葉高撞擊過程中接觸力時(shí)間曲線整體高于4/6葉高接觸力時(shí)間曲線，因此撞擊位置為3/6葉高時(shí)鳥體動(dòng)能增量最大．1/6葉高、2/6葉高、3/6葉高、4/6葉高及5/6葉高撞擊位置鳥體動(dòng)能的增量分別為23.27kJ、26.34kJ、26.65kJ、22.26kJ和17.50kJ．

圖12(d)為各撞擊位置前緣應(yīng)力時(shí)間曲線．與接觸應(yīng)力類似，葉片前緣應(yīng)力變化是葉片撞擊位置切向線速度及葉片扭轉(zhuǎn)角共同影響的結(jié)果．從1/6葉高到3/6葉高區(qū)域，葉片前緣應(yīng)力主要受撞擊位置切向線速度影響，前緣應(yīng)力隨撞擊高度增加而增大；從3/6葉高到5/6葉高位置，前緣應(yīng)力主要受葉片扭轉(zhuǎn)角影響，前緣應(yīng)力隨高度增加而減?。矒粑恢脼?/6葉高、2/6葉高、3/6葉高、4/6葉高、5/6葉高時(shí)葉片前緣應(yīng)力峰值分別為866MPa、2020MPa、2042MPa、1550MPa、1210MPa．

表3 不同撞擊位置下的最大接觸力、葉根應(yīng)力、前緣應(yīng)力及鳥體動(dòng)能增量

Tab.3 Maximum contact force，stresses at the blade root and leading edge，and bird kinetic energy incre-ment at different impact positions

4?結(jié)?論

(1) 相比較于半球端圓柱體模型，真實(shí)鳥體模型更加接近試驗(yàn)的結(jié)果，可更真實(shí)地反映鳥撞風(fēng)扇的撞擊過程．

(2) 不考慮風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)情況下，葉片葉根應(yīng)力、前緣應(yīng)力、接觸力、鳥體動(dòng)能變化等值明顯低于考慮葉片旋轉(zhuǎn)條件，使得對(duì)葉片應(yīng)力及損傷預(yù)估偏保守，不利于葉片強(qiáng)度安全設(shè)計(jì)，因此在研究鳥撞過程中對(duì)葉片旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)應(yīng)予以考慮．

(3) 836r/min轉(zhuǎn)速下鳥與風(fēng)扇相互作用的方式不同于其他高轉(zhuǎn)速，葉片切割鳥體，葉盆側(cè)鳥塊與該切割葉片不發(fā)生撞擊作用，葉背側(cè)鳥塊撞擊該葉片葉背；其他轉(zhuǎn)速下，葉片切割鳥體的同時(shí)葉盆拍擊葉盆側(cè)鳥塊，葉背不與葉背側(cè)鳥塊發(fā)生撞擊．接觸力、葉根應(yīng)力隨轉(zhuǎn)速的增大而增大；836r/min轉(zhuǎn)速下鳥體動(dòng)能減小，其他高轉(zhuǎn)速下鳥體動(dòng)能增加，且增量隨轉(zhuǎn)速增大而增大．836r/min轉(zhuǎn)速下前緣應(yīng)力峰值要大于1984r/min轉(zhuǎn)速下前緣應(yīng)力峰值．其他轉(zhuǎn)速下前緣應(yīng)力峰值隨轉(zhuǎn)速增加而增大．

(4) 隨撞擊位置增高，接觸力、鳥體動(dòng)能增量、葉根應(yīng)力峰值、鳥體動(dòng)能、葉片前緣應(yīng)力均呈先增大后減小趨勢(shì)，撞擊3/6葉高位置時(shí)前緣應(yīng)力峰值及鳥體動(dòng)能增量最大，撞擊4/6葉高位置時(shí)葉根應(yīng)力峰值及接觸力最大，最大前緣應(yīng)力2042MPa，最大鳥體動(dòng)能增量26.65kJ，最大接觸力146.2kN，最大葉根應(yīng)力1500MPa．

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Effect of Impact Position and Fan Rotational Speed on Bird-Impact Process

Zhang Junhong1, 2，Liu Zhiyuan1，Dai Huwei1，Reza Hedayati3，Yuan Yi1，Zhang Guichang4

(1. State Key Laboratory of Engine，Tianjin University，Tianjin 300350，China；2. Renai College，Tianjin University，Tianjin 301636，China；3. Faculty of Aerospace Engineering，Delft University of Technology，Delft 2600AA，Netherlands；4. Aeronautical Engineering Institute，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China)

Bird impact on fan blades poses a serious threat to the operational safety of aircraft engines．In this study，a real bird model of mallard duck was developed using the smooth particle hydrodynamics method based on a CT scan of a mallard duck．The accuracy of the real bird model was verified by comparing the simulation results of the impact on a plate of real bird model and simplified traditional bird model with the results of Wilbeck’s tests．The transient impact responses of bird body and fan blade as the bird was striking a static and a rotating fan blade were comparatively analyzed．To study the effect of fan rotational speed on the bird-impact process，836r/min，1984r/min，3344r/min，and 3772r/min were selected as fan rotational speed．To study the effects of impact location on the bird-impact process，1/6，2/6，3/6，4/6 and 5/6 of the blade height were selected as impact locations．The results show that blade rotation has a direct impact on the number of bird block cuts，the mass of a single bird block，and the number of impacted blades．Without considering the blade rotation conditions，the contact force，blade root stress，and blade leading edge stress are significantly lower than that when the blade rotation conditions are considered，which makes the prediction of blade stress and damage conservative and inadequate for use in the design of blade strength．Therefore，the blade rotation motion should be considered in the study of bird impact．The interaction mode between the bird and blade at 836r/min speed obviously differs from that at other rotational speeds．The kinetic energy of the bird decreases at a rotational speed of 836r/min，and increases at other rotational speeds，and the increment of the kinetic energy of the bird increases with increases in rotational speed．The leading-edge peak stress at 836r/min is greater than that at 1984r/min；at other rotational speeds，the peak stress of the leading edge increases with increases in the rotational speed．The contact force and blade root stress increase with increases in the rotational speed．With increases in the impact height，the contact force，kinetic-energy increment of the bird body，peak stress of the blade root，kinetic energy of the bird body，and the stress on the leading edge of blade all increase first and then decrease under the combined action of the relative velocity of the impact point and twist angle of the blade．The peak stress of the leading edge and the increment of the kinetic energy of the bird are greatest when impact occurs at 3/6 blade height，and the peak stress of the blade root and the contact force are greatest when impact occurs at 4/6 blade height．

mallard；bird impact；impact position；fan rotation speed；impact response

Supported by the National Natural Science Foundation Civil Aviation Joint Research Fund(No.U1833108).

V232.4

A

0493-2137(2020)05-0492-10

2019-09-01；

2019-09-27.

張俊紅（1962—??），女，博士，教授，zhangjh@tju.edu.cn.

戴胡偉，dhwmail@tju.edu.cn.

國家自然科學(xué)基金民航聯(lián)合研究基金資助項(xiàng)目(U1833108).

(責(zé)任編輯：金順愛)