航空發動機第1級風扇葉片鳥撞研究

馬力，姜甲玉，薛慶增

（1.海軍駐沈陽地區發動機專業軍事代表室，沈陽 110862；2.海軍駐長春地區航空軍事代表室，長春 130000）

0 引言

鳥撞指鳥類與飛行器等發生碰撞，造成飛行事故[1-2]。隨著航空技術的發展，鳥撞事件呈增加的趨勢[3-4]。由于發動機風扇葉片處在最前端，屬較易受鳥撞擊的部位，因此對其進行抗鳥撞研究具有重要意義[5]。早期的鳥撞研究主要以試驗為主，隨著計算機技術以及有限元數值模擬技術的發展，現多采用計算機模擬方法[6-12]。文獻[13]以某型直升機主槳葉為例，使用瞬態動力學分析軟件（MSC Dytran），采用流固耦合算法對鳥撞過程進行數值模擬；文獻[14]則利用神經網絡方法，分別采用BP神經網絡和RBF徑向機網絡2種方式建立預測模型，通過實際觀測數據對訓練好的鳥撞模型做仿真預測；文獻[15]基于神經網絡方法對鳥撞飛機風擋反問題進行研究，取得了良好效果。

本文分析了在鳥體撞擊旋轉狀態下第1級風扇不同葉片位置的概率，建立了鳥體撞擊葉片的有限元模型，確定了重點分析部位。并分析了發動機第1級風扇葉片鳥體撞擊損傷。

1 鳥撞擊葉片不同位置概率

1.1 鳥體飛向葉片不同部位概率

按照國軍標要求，采用密度為910kg/m3、直徑為89mm、直徑和長度比為1∶2的材料制成模擬鳥。

由于不同半徑圓環面積不同，鳥飛向進氣道不同半徑高度的概率也不同。針對模擬鳥，將圓環面積按半徑等分成3部分，分別表示葉尖區域、葉中區域和葉根區域。假設鳥飛向風扇進氣口，且飛向任何部位的概率都一樣，則鳥飛向葉尖、葉中和葉根區域的概率Pfj、Pfz、Pfg為

式中：Syj為葉尖區域面積；Syz為葉中區域面積；Syg為葉根區域面積；Sq為整個葉片區域面積。

1.2 鳥體穿過支板間隙概率

由于風扇前有進氣支板，因此鳥撞擊發動機時，可能先撞擊到進氣支板上，通過支板間的空隙才能撞擊到風扇葉片上。在不同徑向高度，鳥體通過支板的概率不同。

定義某處撞擊半徑為R，此處支板間隙為L，二者關系為

定義鳥體直徑為D，則鳥體穿過半徑R處支板間隙的概率Pc為

針對鳥體，得到不同徑向高度，鳥體通過支板的概率如圖1所示。

圖1 不同徑向高度鳥體通過支板的概率分布

圖1中鳥體穿過葉尖部位支板間隙的概率約為50%，穿過葉中部位支板間隙的概率約為30%，在根部位置，由圖1中的曲線可以推知，穿過概率數值小于0，即表示不可能穿過葉根位置的支板間隙。計算中，鳥體直徑為模擬鳥直徑，而實際鳥體直徑應大于模擬鳥直徑，同時支板后還存在可調導向葉片，因此在實際情況下穿過支板間隙的概率比計算值更低。

1.3 鳥撞擊風扇某處的概率

鳥如果要撞擊風扇葉片某半徑處，首先需要飛向此處，然后穿過支板后撞擊到風扇葉片上，因此鳥撞擊半徑R處的概率P為

取各區域半徑的中值表示撞擊區域，葉尖、葉中和葉根半徑Rj、Rz和Rg，及鳥撞擊葉尖、葉中和葉根概率 Pj、Pz和 Pg為

綜上，鳥體穿過根部支板間隙撞擊風扇葉片根部的概率很小，最可能撞擊的部位為風扇葉尖部位，對此下文將重點分析。

2 確定風扇葉片損傷最大的位置

理論分析表明，撞擊損傷與撞擊模型有關，但不能通過定性分析給出撞擊危險部位，需要針對具體撞擊模型，通過數值模擬分析才能確定。因此，針對同一撞擊模型，分別對撞擊葉尖、葉中和葉根3種部位進行數值模擬，對損傷進行對比分析，確定發動機風扇較危險撞擊部位。

分析過程中葉片榫頭與輪盤榫槽部位、葉片緣板、葉片葉身和葉片凸肩之間按接觸處理，輪盤槽底以下部分定義為剛體，約束除轉動自由度外的其他自由度。所建計算模型如圖2所示。

圖2 有限元計算模型

模擬鳥撞擊風扇葉片葉尖、葉中、葉根部位，得到撞擊后風扇轉子葉片塑性變形如圖3所示。在模擬計算過程中，除撞擊部位不同外，其他參數相同。

圖3 鳥撞擊不同位置的塑性變形

通過數值模擬得到發動機風扇葉片撞擊不同位置后的損傷情況，具體見表1。

表1 撞擊不同位置的損傷

分析表1可知，通過撞擊后造成的損傷對比分析，撞擊葉尖和葉中時損傷更大，可能導致前緣掉塊、撕裂裂紋和凸肩搭接。

3 風扇轉子鳥撞擊損傷分析

基于沖擊計算軟件平臺，采用動力學分析有限元計算方法分析鳥體撞擊葉片過程和鳥撞損傷程度。此材料模型沿殼體單元厚度方向可以使用不同性質的鋪層，每層可以分別定義材料參數和失效模式。葉尖部位為撞擊部位，針對狀態1～4，1只鳥撞擊速度分別為120、143、181、195m/s。

3.1 計算結果

分別針對4種試驗狀態進行數值模擬，得到損傷結果。

（1）狀態 1

對應狀態1，撞擊后風扇轉子的塑性變形如圖4所示。

圖4 鳥撞擊塑性變形（狀態1）

從圖4中可見，在鳥撞擊過程中，有5片葉片受到撞擊影響，其損傷情況為：葉片和凸肩都受到一定損傷，葉尖前緣發現掉塊；伸根部位發生大的塑性變形；葉根前緣有一定塑性變形；葉片中部凸肩部位前緣發生撕裂；凸肩錯位搭接，變形較大，局部有掉塊現象。

（2）狀態 2

對應狀態2，撞擊后風扇轉子的塑性變形如5所示。

圖5 鳥撞擊塑性變形（狀態2）

從圖5中可見，在鳥撞擊過程中，有3片葉片受到碰撞后發生一定損傷。其損傷情況為：葉片葉尖及根部前緣發生了塑性變形，但未發生撕裂裂紋、卷邊、凹陷變形，結構保持完整；凸肩相互接觸，未發生錯位、搭接、掉塊。可見在此狀態時，鳥撞擊葉片葉尖未對風扇葉片造成大的損傷。

（3）狀態 3

對應狀態3，撞擊后風扇轉子的塑性變形如圖6所示。

從圖6中可見，在鳥撞擊過程中，有3片葉片與鳥發生了碰撞，受到一定程度的損傷。其損傷情況為：葉片葉尖及中部前緣發生較大的塑性變形；葉尖前緣發現掉塊；葉中對應的凸肩部位發生撕裂；葉片未發現卷邊、凹陷以及大的變形；凸肩相互接觸，未發生錯位、搭接、掉塊。可見在此狀態時，鳥撞擊葉片葉尖會對風扇葉片造成一定損傷，發生撕裂及掉塊，但不會造成嚴重損傷。

圖6 鳥撞擊塑性變形（狀態3）

（4）狀態4

對應狀態4，撞擊后風扇轉子的塑性變形如圖7所示。

圖7 鳥撞擊塑性變形（狀態4）

從圖7中可見，在鳥撞擊過程中，有4片葉片與鳥發生了碰撞，受到較大損傷。其損傷情況為：葉片根部及榫頭發生塑性變形；葉尖前緣發現掉塊；葉中對應的凸肩部位發生撕裂；葉片未發現卷邊、凹陷以及大的變形；凸肩發生錯位搭接。可見在此狀態時，鳥撞擊葉片葉尖會對風扇葉片造成較大程度的損傷，出現撕裂、掉塊和凸肩錯位，但不會造成安全性問題。

綜上，當鳥撞速度在一定范圍內時，對風扇葉片的損傷較小；當鳥撞速度較小或者較大時，對風扇葉片的損傷較大。但都不會造成安全性問題。

4 結論

（1）經計算得知，鳥體穿過葉尖、葉中部位支板間隙的概率約為5 0%和3 0%，在根部位置，鳥體穿過根部支板間隙撞擊風扇葉片根部的概率很小。因此，最可能受到鳥撞擊的部位為風扇葉尖。

（2）通過鳥撞擊后造成的損傷對比分析，撞擊葉尖和葉中時損傷最大，可能導致葉片前緣發生掉塊、撕裂裂紋和凸肩搭接等。

（3）對于4個具有代表性的狀態計算得知，鳥撞擊后可能對葉片造成一定損傷，當鳥撞速度過大或者過小時，會造成較大損傷，但都能滿足安全性要求。

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