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飞机风挡鸟撞有限元模拟及撞击影响分析

飞机风挡鸟撞有限元模拟及撞击影响分析

作者：刁斌南京航空航天大学

学位级别：硕士

鸟撞是飞机飞行时无法忽视的威胁之一。据我国民航鸟击航空器事件分析报告统计,风挡遭受鸟撞的概率约为10%,且研究表明该处的撞击比其他部位更为危险。目前,我国鸟撞相关适航条款都是沿用美国FAR中相关内容,然而两国的鸟情差别巨大,因... 详细信息

鸟撞是飞机飞行时无法忽视的威胁之一。据我国民航鸟击航空器事件分析报告统计,风挡遭受鸟撞的概率约为10%,且研究表明该处的撞击比其他部位更为危险。目前,我国鸟撞相关适航条款都是沿用美国FAR中相关内容,然而两国的鸟情差别巨大,因此有必要对我国相关适航条款进行修改以降低设计和制造成本。本文将进行鸟撞风挡仿真研究,评估撞击后结构的承载能力,分析国内外鸟情差异,为相关适航条款的修订提供相应的依据。首先通过翻阅大量的鸟撞相关资料,总结和分析了鸟撞问题一般采用的研究方法及相关适航条款。并阐述了大变形动力学、接触-碰撞以及SPH(光滑粒子流体动力学)方法等有限元分析基本理论。利用HyperMesh和PAM-Crash等有限元软件,建立了鸟体和风挡结构的几何模型。同时为鸟体和风挡结构选取了恰当的材料模型,并确定了材料参数。然后进行了简易圆弧风挡撞击仿真研究,验证了SPH鸟体模型的准确性;选取多个撞击点及撞击速度,对风挡结构模型进行若干次撞击仿真,并对结果进行后处理,获得大量的仿真数据。最后结合这些仿真数据,提取相关结构失效数据,分析撞击带来的结构失效影响;利用剩余强度和剩余强度系数,评估撞击后结构的承载能力。同时对比国内外鸟撞相关适航条款,分析我国与美国鸟情差异,并对我国鸟撞适航条款中的鸟重要求提出修订意见。

关键词：鸟撞 SPH 风挡有限元模拟影响分析适航条款

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航空发动机风扇叶片鸟撞冲击动力学响应研究

航空发动机风扇叶片鸟撞冲击动力学响应研究

作者：刘志远天津大学

学位级别：硕士

鸟撞一直以来严重威胁着航空飞机的运行安全。据美国联邦航空管理局统计,飞机撞鸟次数逐年增加,在飞机所有受鸟撞的部件中,航空发动机被鸟撞击次数最多,被撞后部件发生损坏的比例也最高。风扇位于航空发动机的最前端,因而风扇是飞机所... 详细信息

鸟撞一直以来严重威胁着航空飞机的运行安全。据美国联邦航空管理局统计,飞机撞鸟次数逐年增加,在飞机所有受鸟撞的部件中,航空发动机被鸟撞击次数最多,被撞后部件发生损坏的比例也最高。风扇位于航空发动机的最前端,因而风扇是飞机所有受鸟撞部件中最应该被关注的位置。目前鸟撞风扇的研究中,鸟体模型主要采用的是传统的替代鸟体模型,但传统替代鸟体模型只是对真实鸟体躯干部位的近似简化,而鸟体其他部位对鸟撞动态响应影响较大,尤其是在进行鸟撞姿态对鸟撞响应影响的研究中传统模型很不适用。且传统替代鸟体模型仿真结果与试验结果相差较大,难以满足工程上的准确度要求。本文首先采用CT扫描方法及光滑粒子流体动力学（SPH）法建立绿头鸭SPH模型,通过鸟撞刚性平板仿真模拟,将绿头鸭SPH模型数值计算结果与其他四种传统替代鸟体模型数值计算结果及Wilbeck实验结果进行比较,结果表明该绿头鸭SPH模型更加接近试验结果。基于绿头鸭SPH模型,根据相对速度原则进一步建立鸟体-风扇冲击动力学模型,对鸟体不同撞击位置、不同撞击姿态下的旋转风扇-真实鸟体撞击过程进行动力学模拟,研究鸟体撞击位置和撞击姿态对叶片动力学响应的影响。研究发现,鸟撞击高速旋转风扇的过程中会受到多个叶片的切割与拍击作用,撞击2/6叶高位置时,接触力、叶根应力及前缘等效应力最大,Y-135°、Y-270°、Y-315°、Z-135°及Z-315°撞击姿态对前叶根损伤最大,Z-135°撞击姿态对后叶根损伤最大,Y-270°撞击姿态对前缘的损伤最大,且对比所有撞击姿态下的前后叶根应力可知,前叶根应力要普遍大于后叶根。基于航空发动机单次起落循环中的风扇工况分布,研究滑跑阶段（836r/min）、下降阶段（1984r/min）、巡航阶段（3344r/min）和爬升阶段（3772r/min）等阶段下不同风扇转速对鸟撞过程的影响。结果表明,836 r/min转速下鸟与风扇相互作用的方式不同于其他高转速,该转速下叶片切割鸟体,叶盆侧鸟块与该切割叶片不发生撞击作用,叶背侧鸟块撞击该叶片叶背;其他转速下,叶片切割鸟体的同时叶盆拍击叶盆侧鸟块,叶背不与叶背侧鸟块发生撞击。接触力、叶根应力随转速的增大而增大;836 r/min转速下鸟动能减小,其他高转速下鸟动能增加,且增量随转速增大而增大。836 r/min转速下前缘应力峰值要大于1984 r/min转速下前缘应力峰值。其他转速下前缘应力峰值随转速增加而增大。

关键词：鸟撞航空发动机风扇叶片冲击动力学数值模拟光滑粒子流体动力学法

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飞机风挡鸟撞数值模拟研究

飞机风挡鸟撞数值模拟研究

作者：陈贺贺中北大学

学位级别：硕士

风挡是飞机上重要且易遭鸟撞击的部件之一,其抗鸟撞研究一直是每个国家在飞机设计过程中一个必不可少的过程。风挡鸟撞问题的研究一般采用试验或数值模拟等方法,鸟撞风挡的试验研究是最早、最基本的方法,而有限元仿真是最方便且有效的... 详细信息

风挡是飞机上重要且易遭鸟撞击的部件之一,其抗鸟撞研究一直是每个国家在飞机设计过程中一个必不可少的过程。风挡鸟撞问题的研究一般采用试验或数值模拟等方法,鸟撞风挡的试验研究是最早、最基本的方法,而有限元仿真是最方便且有效的工具。本文采用ANSYS/LS-DYNA有限元软件仿真模拟了飞机风挡鸟撞过程,主要开展研究了以下工作:(1)本文建立四种不同的有限元模型,通过与实验对比研究并确定最适合的风挡鸟撞模型。研究表明,采用SPH方法和自定义材料模型的模型四能较好地模拟鸟体高速撞击风挡呈流体状飞溅的过程,且风挡鸟撞响应结果与实验结果接近,可以准确预测风挡的鸟撞动态响应。(2)以撞击速度和撞击位置为变量,研究鸟体在速度450km/h50km/h情况下和撞击位置在风挡前三分之一、中点、后三分之一点时风挡的响应情况以及风挡发生失效破坏的过程。研究表明,风挡表面的位移、应变、应力等随着鸟体撞击速度的增大而增大,且达到峰值的时间提前;风挡前部抗鸟撞能力最强,中点次之,后部抗鸟撞能力最差;风挡在弯曲作用下首先会在内表面发生失效破坏,撞速为600km/h的风挡发生失效破坏后,在撞击区域形成多条与风挡对称线呈大约50°夹角的裂纹及少部分横向裂纹。(3)以风挡材料和风挡曲率为对象,研究不同参数下风挡抗鸟撞性能,并为风挡改型设计提供建议。研究表明,DYB-3 PMMA风挡和曲率较大的风挡在鸟撞仿真中表现出较高的耐冲击性,对风挡改型设计建议是:在巡航速度较大的飞机或飞机气动载荷较大的部位选择DYB-3 PMMA这种经定向拉伸的有机玻璃,并且在满足飞行员视野的同时尽量增大风挡曲率以提高风挡抗鸟撞性能。

关键词：飞机风挡鸟撞数值模拟失效破坏航空有机玻璃

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飞机通风窗运动机构的抗鸟撞分析

科学技术与工程 2013年第14期21卷 3943-3946,3959页

作者：寇剑锋徐绯赵佳欣朱高尚西北工业大学航空学院西安710072 中航飞机股份有限公司西安分公司西安710089

适航要求通风窗结构不能被鸟撞穿,鸟体不能进入飞机内部。相对于固定的通风窗结构在分析中只考虑强度因素,运动机构支持的通风窗还必须考虑结构刚度,避免由于大的变形出现缝隙而使鸟体进入飞机内部。基于PAM-CARSH软件,结合SPH方法,巧... 详细信息

适航要求通风窗结构不能被鸟撞穿,鸟体不能进入飞机内部。相对于固定的通风窗结构在分析中只考虑强度因素,运动机构支持的通风窗还必须考虑结构刚度,避免由于大的变形出现缝隙而使鸟体进入飞机内部。基于PAM-CARSH软件,结合SPH方法,巧妙选择梁元节点自由度模拟机构转动副,对通风窗进行数值模拟,找到结构在强度和刚度上的薄弱部位,并进行结构改进。分析计算结果显示,改进后的结构能够满足鸟撞的强度和刚度要求。

关键词： PAM-CARSH 鸟撞通风窗机构适航

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采用流固耦合方法的复合材料层合板鸟撞分析

郑州大学学报（工学版） 2015年第6期36卷 76-79页

作者：李成郭文辉铁瑛郑州大学机械工程学院河南郑州450001

基于流固耦合的方法,利用ANSYS/LS-DYNA软件构建了复合材料层合板鸟撞损伤模型,通过分析层合板鸟撞后的动响应验证了鸟撞过程的4个阶段,探讨了鸟撞过程中冲击波在层合板中的传递情况;分析了层合板在鸟撞时先后出现的基体压缩、基体开裂... 详细信息

基于流固耦合的方法,利用ANSYS/LS-DYNA软件构建了复合材料层合板鸟撞损伤模型,通过分析层合板鸟撞后的动响应验证了鸟撞过程的4个阶段,探讨了鸟撞过程中冲击波在层合板中的传递情况;分析了层合板在鸟撞时先后出现的基体压缩、基体开裂以及纤维断裂这一损伤过程;研究了铺层方式对鸟撞后鸟体的剩余能的影响.结果表明:合理的设计铺层方式可以有效提升层合板抗撞能力.

关键词：流固耦合复合材料鸟撞动响应损伤分析

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典型材料抗鸟撞特性研究

典型材料抗鸟撞特性研究

作者：李达诚哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

对于现代化高度发展的航空交通行业来说,航空工具的安全性是目前人们关注的重要课题。在研究飞机结构强度的领域中,抗鸟撞性能是不可忽视的评价指标。但是目前国内外的鸟撞现象研究受限于实验条件和数值模拟方法,仅处于定性研究的阶段,... 详细信息

对于现代化高度发展的航空交通行业来说,航空工具的安全性是目前人们关注的重要课题。在研究飞机结构强度的领域中,抗鸟撞性能是不可忽视的评价指标。但是目前国内外的鸟撞现象研究受限于实验条件和数值模拟方法,仅处于定性研究的阶段,并且国内与国外的研究进展有着较大差距。本文探索了将实验数据与数值仿真结果相结合的方法,希望对于研究鸟撞现象的策略提供新思路。本文首先简要介绍了鸟撞现象的相关理论成果。通过参考现有文献中的人工鸟弹配方,使用明胶制作了实验用人工鸟弹。分别对5A06、LY12、2024三种铝合金靶板和T700碳纤维复合材料层合板进行了鸟撞实验。使用高速相机进行了撞击过程的拍摄和数字图像实验数据的采集。对于实验过程的具体安排和操作方法进行了详细叙述,包括各项操作细节与注意事项。本文将数字图像相关技术(Digital Image Correlation)引入到鸟撞现象的研究当中,介绍了其基本原理,并对其在鸟撞实验中的具体应用方法进行了阐述。通过与实验鼓包数据的对比,验证了数字图像相关技术的准确性,使用该光测技术得到的数据显示了本文鸟撞实验的基本规律以及高速撞击过程中应力波的作用过程。另外本文也对于实验过程中边界条件对于实验数据的影响进行了讨论分析。在进行仿真时,需要已知明胶弹的材料参数。对于明胶弹的流体动力学行为需要使用状态方程来进行描述,但是目前文献中相关的研究很少。本文通过对已知的靶板材料参数和实验获取的位移数据进行反演计算,编写了神经网络程序反算得到了明胶弹的材料参数,经过仿真与实验的对比论证,证明了该方法的可行性。

关键词：鸟撞飞机强度高速撞击数字图像相关神经网络反演

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复合材料蜂窝夹芯结构鸟撞损伤研究

复合材料蜂窝夹芯结构鸟撞损伤研究

作者：霍雨佳中国民航大学

学位级别：硕士

复合材料蜂窝夹芯结构作为一种“结构型材料”,广泛应用于雷达罩、整流罩、机翼以及尾翼等飞机结构部件中。本文针对复合材料蜂窝夹芯结构鸟撞问题,将明胶鸟作为撞击物,采用空气炮试验方法进行鸟撞试验,基于试验建立并验证有限元模型,... 详细信息

复合材料蜂窝夹芯结构作为一种“结构型材料”,广泛应用于雷达罩、整流罩、机翼以及尾翼等飞机结构部件中。本文针对复合材料蜂窝夹芯结构鸟撞问题,将明胶鸟作为撞击物,采用空气炮试验方法进行鸟撞试验,基于试验建立并验证有限元模型,分析复合材料蜂窝夹芯结构在鸟撞过程中的动态响应特性和损伤特征。首先,研究了明胶鸟的数值建模方法。利用明胶鸟替代真鸟进行铝板撞击试验,试验过程中明胶鸟呈现类似流体状破碎和前端破裂后残余部分回弹的两种破坏模式;在数值建模中,对第一种破坏模式的明胶鸟选用SPH离散方法和状态方程本构模型,对第二种破坏模式的明胶鸟选用拉格朗日离散方法和带失效的弹塑性本构模型,并分别对其本构参数进行反演,计算结果与试验结果吻合度较高,验证了该建模方法的合理性。随后,开展明胶鸟撞击复合材料蜂窝夹芯平板试验,研究复合材料蜂窝夹芯结构在鸟体撞击下的损伤形式以及撞击速度、蜂窝芯高度、鸟体形状对结构动态响应的影响。获取试验结果,分析复合材料蜂窝夹芯结构在鸟撞冲击后的典型损伤特征,得到相关因素变化对结构动态响应的影响;在撞击过程中,复合材料蜂窝夹芯平板表现出由全局弯曲变形主导和局部变形主导的两种变形模式。基于试验结果,建立复合材料蜂窝夹芯结构鸟撞有限元模型,探讨了层合型复合材料面板和蜂窝芯材的建模方法,通过与试验结果的比较分析,证明了模型的有效性;基于验证的有限元模型,分析在撞击过程中夹芯结构对冲击能量的吸收特性以及能量的耗散途径,结果表明,冲击能量大部分转化为鸟体自身破坏所需的内能,其余部分则转化为夹芯结构破坏与变形所需的内能;并识别出面板纤维铺层方式改变对结构抗冲击性能及吸能效果的影响显著。最后,建立复合材料机翼前缘鸟撞分析的有限元模型,研究了鸟撞冲击下前缘结构中各构件的损伤形式以及冲击能量的耗散途径,并考察不同鸟撞位置对前缘结构动态响应的影响。

关键词：鸟撞明胶鸟参数反演复合材料蜂窝夹芯结构损伤分析

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风挡鸟撞模型的有限元分析

风挡鸟撞模型的有限元分析

作者：李冶方郑州大学

学位级别：硕士

伴随着飞机在低空飞行过程的速度越来越高,飞机的鸟撞问题成为一个严重威胁到飞行安全的不安定因素;风挡是飞机上的一个非常重要的零件,风挡的抗鸟撞研究一直是每个国家在飞机的设计过程中一个必不可少的一个过程,因此各个国家对风挡鸟... 详细信息

伴随着飞机在低空飞行过程的速度越来越高,飞机的鸟撞问题成为一个严重威胁到飞行安全的不安定因素;风挡是飞机上的一个非常重要的零件,风挡的抗鸟撞研究一直是每个国家在飞机的设计过程中一个必不可少的一个过程,因此各个国家对风挡鸟撞的研究投入了相当大的精力,风挡的抗鸟撞设计最初是要从试验的方法中开始的,但是凭借传统的,实际尺寸的实验方法,会引起成本高昂,消耗人力和消耗财力等问题;伴随着计算机的产生和发展,以及有限元理论的提出和多年来有限元技术的成熟和完善,以及大型有限元软件的出现,在工程实践当中,逐步产生了把实验与基于有限元网格技术的数值模拟方法想合并来处理风挡抗鸟撞设计的方法研究;随着技术的进一步提高,有出现了比有限元方法更适合处理风挡抗鸟撞数值计算的理论,这就是sph理论。全文较全面总结了飞机的鸟撞事故,归纳了风挡鸟撞问题的特性和适合的鸟撞分析问题的研究方法,简单的对适合风挡鸟撞分析的理论问题进行了介绍,分析了不同假设的载荷下风挡鸟撞问题的研究情况,从刚性目标载荷和柔性目标载荷出发,研究了这两种种类的载荷下风挡的响应曲线;同时,介绍了sph的理论和实现过程;接着,从风挡和鸟体的本构关系方程出发,总结出适合风挡模型的弹塑性本构和鸟体模型的状态方程本构;最后建立了有限元仿真模型,并对模型进行了求解。最后通过比较分析,sph在模拟鸟体的撕裂状态的变形是非常符合于实际情况中流体的变形,因此得出结论,sph方法比拉格朗日方法和任意欧拉拉格朗日方法更适合研究风挡鸟撞这种大变形理论。

关键词：风挡鸟撞有限元光滑质点动力学

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复合材料层合板鸟撞损伤及吸能分析

复合材料层合板鸟撞损伤及吸能分析

作者：于永强郑州大学

学位级别：硕士

随着复合材料设计制造的逐步发展与成熟,复合材料在各工业领域均有广泛应用,尤其越来越多的被应用于航空领域内飞行器中的零部件。在研究飞机强度的过程中,鸟撞是一个不可忽略的问题,因此需要对飞行器上不同结构的复合材料抗鸟撞性能进... 详细信息

随着复合材料设计制造的逐步发展与成熟,复合材料在各工业领域均有广泛应用,尤其越来越多的被应用于航空领域内飞行器中的零部件。在研究飞机强度的过程中,鸟撞是一个不可忽略的问题,因此需要对飞行器上不同结构的复合材料抗鸟撞性能进行分析研究。当前国内外学者主要借助有限元软件与试验相结合的手段探究鸟撞对飞行器不同结构的复合材料层合板板损伤影响。首先,本文在总结了国内外关于鸟撞方法及成果的研究现状基础上,利用非线性动力分析有限元程序LS-DYNA结合不同的计算方法(Lagrange、ALE、SPH)对鸟撞钢板进行了分析。并与Wilbeck实验进行了对比分析,可以为下文鸟撞复合材料层合板确定了合适的鸟体模型。然后,建立了鸟撞复合材料层合板模型,分析了层合板铺层,曲面结构,密度,鸟体的冲击速度,鸟体的入射角度等因素对复合材料层合板吸能方面的影响,研究了复合材料层合板内部每单层的基体失效与纤维失效的过程。并将仿真分析与试验进行了相关对比,仿真结果效果较好。最后,分析了飞机机翼前缘复合材料蒙皮结构损伤阻抗能力。一方面研究了无斜板,单斜板,双斜板三种前缘机翼蒙皮的鸟撞动响应过程,另一方面研究了双斜板结构下的蒙皮厚度与鸟体的入射角度对机翼蒙皮的破坏影响。通过本文以上分析结果,可以为飞机机翼前缘设计提供参考。

关键词：鸟撞复合材料层合板 SPH方法损伤数值仿真