飛機(jī)翼面結(jié)構(gòu)抗鳥(niǎo)撞設(shè)計(jì)研究

談言朋

摘 要：首先，文章針對(duì)抗鳥(niǎo)撞的研究活動(dòng)，提出了抗鳥(niǎo)撞設(shè)計(jì)的計(jì)算模型，并分別對(duì)鳥(niǎo)體及結(jié)構(gòu)的幾何模型及材料參數(shù)設(shè)置進(jìn)行了說(shuō)明，提供了相應(yīng)的計(jì)算公式；接下來(lái)，又針對(duì)有限元模型的建立，提供了適合研究鳥(niǎo)撞的SPH方法，同時(shí)闡述了網(wǎng)格劃分及邊界條件處理；最后，則在模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上展開(kāi)了討論，分析了撞擊過(guò)程中各個(gè)結(jié)構(gòu)所起到的作用。

關(guān)鍵詞：翼面結(jié)構(gòu)；抗鳥(niǎo)撞設(shè)計(jì)；SPH方法

前言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，民用飛機(jī)正在被大量使用，但隨之也引發(fā)了大量的問(wèn)題。飛機(jī)在迎風(fēng)飛行狀態(tài)中，極易遭受鳥(niǎo)體撞擊，尤其是飛機(jī)的翼面結(jié)構(gòu)、機(jī)翼前緣等部位。如果這些結(jié)構(gòu)遭到破壞，就無(wú)法保障飛機(jī)的安全飛行。因此，在飛機(jī)一翼面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，不僅應(yīng)符合空氣動(dòng)力學(xué)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)還應(yīng)充分考慮鳥(niǎo)撞的發(fā)生，從而提升結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。但如果一味對(duì)強(qiáng)度進(jìn)行提升，就會(huì)使結(jié)構(gòu)重量增加，不利于飛機(jī)的性能維護(hù)，同時(shí)增加成本。因此，為了使這一矛盾得以圓滿地解決，就必須更多地運(yùn)用新材料、新設(shè)計(jì)，最大程度地保證飛機(jī)的安全性能。

1 抗鳥(niǎo)撞設(shè)計(jì)的計(jì)算模型

1.1 鳥(niǎo)體及結(jié)構(gòu)的幾何模型

通過(guò)建立鳥(niǎo)體的幾何模型，可知在整個(gè)縫翼結(jié)構(gòu)中，分別由前后蒙皮、肋、梁及其他角材連接構(gòu)成。在計(jì)算過(guò)程中，前蒙皮將被視為均勻體，設(shè)定值為1.6mm；肋厚度為1.02mm；梁的厚度為1.8mm。在鳥(niǎo)體形狀上，采用實(shí)心的圓柱體進(jìn)行模擬，兩端均設(shè)為半球狀，長(zhǎng)徑比為2：1，重量為1.8kg，密度為900kg/m3，由此可以確定，圓柱直徑，即半球體的直徑為115mm[1]。

1.2材料參數(shù)設(shè)置

在本次研究中，假設(shè)鳥(niǎo)體沖擊速度恒定，設(shè)為150m/s，同時(shí)利用SPH來(lái)建構(gòu)鳥(niǎo)體模型，可得到如下的本構(gòu)關(guān)系：

P=P0+B{{■}γ-1} （1）

對(duì)正撞擊，B=1.12×108Pa，γ=6.77；發(fā)生撞擊時(shí)，如果角度恰在90°-45°之間，則B=1.28×108Pa，γ=7.98。本次研究中將遵循這一情況，即取B=1.28×108Pa，γ=7.98。材質(zhì)選擇上，采用鋁合金2024完成縫翼加工。本次研究的計(jì)算過(guò)程，將以Johnson-cook的屈服模型為標(biāo)準(zhǔn)，并從中得出如下的本構(gòu)關(guān)系：

σ=[A+Bεn][1+Cln■]{1-{■}m} （2）

在材料失效方式設(shè)定上，體現(xiàn)為最大等效應(yīng)變失效。即當(dāng)ε≥ εf時(shí)，確定材料已經(jīng)失效，單元將被刪除，研究中取εf=0.19。針對(duì)連接部位的模擬，利用了鉚釘完成連接。在有限元模型設(shè)計(jì)中，PAM-CRSAH采用PLANK進(jìn)行模擬，在模擬過(guò)程中判斷鉚釘失效，并認(rèn)為是在剪切，拉伸行為所產(chǎn)生的耦合力作用下，導(dǎo)致鉚釘失效[2]。

2 有限元模型

2.1 SPH方法

在流體力學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域，SPH方法是一種新型的計(jì)算方法，以粒子方法為理論基礎(chǔ)進(jìn)行研究。由于沒(méi)有網(wǎng)格，剔除了因界面形變程度過(guò)大的誤差因素，因而不會(huì)引起計(jì)算溢出問(wèn)題[3]。對(duì)于鳥(niǎo)撞問(wèn)題，通常有如下具體表現(xiàn)：第一，沖擊載荷具有瞬時(shí)性；第二，屬于柔性撞擊；第三，形變程度較明顯；第四，材料具有非線性的特點(diǎn)。由于鳥(niǎo)撞具有上述特點(diǎn)，因而在有限元模型中進(jìn)行計(jì)算時(shí)，網(wǎng)格往往發(fā)生畸變，最終使計(jì)算過(guò)程無(wú)法繼續(xù)。而在SPH方法中，則無(wú)需網(wǎng)格，因而對(duì)扭曲變形有良好的抵抗作用，能夠克服有限元計(jì)算中的不足之處。針對(duì)鳥(niǎo)撞問(wèn)題，需要進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，通過(guò)SPH方法來(lái)模擬鳥(niǎo)體，能夠取得十分理想的效果。

2.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件處理

根據(jù)鳥(niǎo)體的飛行速度及方向，設(shè)定縫翼夾角為α。模型中，使用了SPH方法對(duì)鳥(niǎo)體進(jìn)行模擬，模型由5440個(gè)粒子構(gòu)成，在縫翼結(jié)構(gòu)上，則使用了四節(jié)點(diǎn)殼單元S4R，可知共劃分為82076個(gè)殼單元，而整個(gè)模型中，共包括686個(gè)PLANK單元。

3 模擬結(jié)果及討論

鳥(niǎo)撞開(kāi)始時(shí)，在沖擊力作用下，蒙皮出現(xiàn)凹陷，同時(shí)向四周擴(kuò)展。可以看出，因?yàn)槿鄙巽T釘?shù)氖`，翼梢和翼根部位的凹陷程度最為明顯；而當(dāng)沖擊結(jié)束時(shí)，蒙皮上會(huì)留下一個(gè)塑性變形區(qū)，規(guī)模約為970mm×180mm。4.05ms時(shí)，沖擊點(diǎn)的位移幅度最大，位移值達(dá)到了164.01mm。在沖擊過(guò)程中，鳥(niǎo)體撞擊的區(qū)域部分，肋部位的塑性變形幅度較大[4]。其中，接近沖擊點(diǎn)的部位，鉚釘發(fā)生失效，脫離了梁連接，自肋直至梁上，角材完全脫落。沖擊中，未發(fā)生單元失效，但仍然出現(xiàn)了較大的形變。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章通過(guò)對(duì)飛機(jī)翼面結(jié)構(gòu)抗鳥(niǎo)撞設(shè)計(jì)進(jìn)行深入的研究和分析，指出了鳥(niǎo)撞事故給飛機(jī)安全性能帶來(lái)的不利影響。為了在降低撞擊傷害的同時(shí)，維持飛機(jī)的重量和性能，就應(yīng)當(dāng)積極研究新的翼面設(shè)計(jì)。文章提出了抗鳥(niǎo)撞設(shè)計(jì)的計(jì)算模型，并通過(guò)有限元模型完成模擬和計(jì)算，并在計(jì)算的基礎(chǔ)上，對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了分析和討論，得知前蒙皮可消耗大部分能量，能夠在減輕鳥(niǎo)撞危害中發(fā)揮重要的作用。

參考文獻(xiàn)

[1]羅楚養(yǎng)，益小蘇，李偉東，等.整體成型復(fù)合材料模型機(jī)翼設(shè)計(jì)、制造與驗(yàn)證[J].航空材料學(xué)報(bào)，2011，21（4）：321-322.

[2]張洪濤，趙美英，任磊，等.SPH和FEM耦合方法分析機(jī)翼前緣鳥(niǎo)撞的響應(yīng)問(wèn)題[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2013，20（7）：217-218.

[3]萬(wàn)小朋，龔倫，趙美英，等.基于ANSYS/LS-DYNA的飛機(jī)機(jī)翼前緣抗鳥(niǎo)撞分析[J].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，16（2）：165-166.

[4]張科施，韓忠華，李為吉，等.基于近似技術(shù)的高亞聲速運(yùn)輸機(jī)機(jī)翼氣動(dòng)/結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].航空學(xué)報(bào)，2012，16（5）：247-248.