飞机及发动机抗鸟撞的有限元分析

飞机及发动机抗鸟撞的有限元分析

ls-dyna是世界著名的通用开元分析程序，可以模拟真实世界的各种复杂问题。在今天，最具挑战的工程应用也被广泛视为最佳分析软件包。LS-DYNA能够预测设计模型对真实世界的各种事件是如何响应的,所以可以最大程度地缩短设计周期,减少重复试验的耗费。程序功能及计算方法有统计表明,全球每年大约发生1万次鸟撞飞机事件,国际航空联合会已将鸟撞定为“A”类航空灾难。0.45kg重的飞鸟与时速500km的飞机相撞,冲击力为80000多N,足以使飞机的挡风玻璃、机体、发动机叶片或外罩等发生严重变形或破碎,从而造成灾难。因此,飞机及发动机的抗鸟撞性能一直是设计时需考虑的重要因素。现代客机和发动机研制时都要进行鸟撞物理试验,通常要求在鸟撞后仍能保持足够的推力,并能够继续飞行约20min。由于鸟撞物理试验费用昂贵、周期长、难以提供足够的信息,因而通常都只是验证性的试验,在研究过程中,有限元仿真模拟技术得到广泛的采用,并成为主要研究手段。鸟撞过程时间一般为50ms左右,此过程中鸟肌体将发生流动变形并解体抛洒,飞机结构亦产生大变形,甚至发生破坏,例如挡风玻璃破碎、机体洞穿、发动机风扇叶片断裂等,虽然结构的动态响应将在较长时间内持续发生,但研究的时间段一般不超过100ms。鸟撞模拟程序必须具备的功能是:·飞鸟物理材料的描述;·飞鸟流动变形以及破碎的描述;·飞鸟与飞行器接触的描述;·飞行器结构大变形、侵彻和破坏过程的描述;·材料应能考虑应变率的影响;·有对大型数值问题的求解能力;LS-DYNA是高度非线性有限元显式求解程序,主要用于分析结构在高速撞击、爆炸等动载荷下的动态响应,同时具有强大的流体功能,可进行流体/固体耦合分析。LS-DYNA是世界范围内对鸟撞仿真所广泛采用的工具,用户包括Boeing、GE、Pratt&Whitney、Rolls·Royce、Lockheed·Martin、LoralVoughtSystems等在内的著名航空航天器及动力设备厂商,以及包括JetPropulsionLab、NASAGlennResearch、MIT、Oxford等在内的高级研究机构。鸟撞过程中飞鸟的材料呈流体,LS-DYNA中飞鸟的材料采用流体动力材料,除定义一般材料性质,如密度、粘度外,附加的状态方程用于定义其流体属性,如可压缩性,飞鸟破碎的参数等。只有更真实地描述鸟撞击过程中鸟的变形特性,才能更准确地反映鸟撞击的载荷特性。过去,鸟撞分析一般把鸟体的撞击简化为瞬态载荷力,人为地简化了鸟撞响应机理。之所以这样处理是因为:程序中单元的变形能力不足以模拟飞鸟的流动和破碎过程;鸟撞过程不仅与载荷,还与其流动过程以及破碎的时间密切相关。LS-DYNA提供3种方式:一是采用Lagrange或ALE(任意拉格郎日-欧拉);二是采用Euler两种类型单元描述飞鸟的流动和破碎;三是采用SPH光顺质点描述飞鸟的流动变形和破碎。Lagrange或ALE的变形能力很大,足以描述与结构分离前的变形;Euler单元可正确描述任意程度的变形;SPH算法可准确描述飞鸟的解体和碎裂。(2)当采用Euler描述时,使用流体/结构耦合算法;(3)当采用SPH算法时,使用SPH通用接触算法。对于结构(飞行器)材料,例如弹性破坏材料(挡风玻璃)、弹塑性破坏材料(叶片、发动机外罩),或可考虑失效的叠层复合材料(机体、机翼)等,可使用LS-DYNA附加破坏算法。面碰撞的安全性能难度据统计,在交通事故死亡人数中,因侧面碰撞导致死亡的接近30%。与汽车正面相比,汽车侧面吸能结构件较少,乘员与车身结构件之间的距离短,一旦受到来自侧面的撞击,将严重危及乘员的生命。在欧洲、美国、日本等汽车工业发达国家,正面碰撞、侧面碰撞、追尾碰撞等常见事故形态很早就被列入安全法规体系中。而我国汽车工业起步相对较晚,相应的汽车安全法规大多参考欧美等国家,并在其基础上根据国情制定。我国在2006年制定了新车安全评估标准(ChinaNewCarAssessmentProgram,C-NCAP),该规程旨在建立高标准、公平和客观的车辆碰撞安全性能评价方法,以促进车辆技术的发展,追求更高的安全理念。该标准意义在于给消费者提供新车上市车辆的安全信息,并推动生产企业增强对安全标准的重视,提高车辆安全性能和技术水平。相对于正面碰撞有很大的吸能缓冲空间,而侧面碰撞只提供了很少的缓冲区域,所以,提高轿车侧面碰撞的安全性能难度很高,这也是当前很多国内汽车厂家自主研发急切需要解决的问题。侧面碰撞模拟计算利用64位LS-DYNA971MPP版软件、OS为64位linuxredhat4.0AS版本,硬件为NEC公司最新的英特尔志强双CPU8核服务器,前处理用HyperMesh软件、后处理用LsPrePost软件。通过对比分析可知,车体结构的侧面碰撞模拟结果和试验结果是较为吻合的。仿真计算分析作为通用型的有限元软件,LS-DYNA适合仿真线性、非线性、静态、动态、接