航空发动机第1级风扇叶片鸟撞研究

马力，姜甲玉，薛庆增

（1.海军驻沈阳地区发动机专业军事代表室，沈阳 110862；2.海军驻长春地区航空军事代表室，长春 130000）

0 引言

鸟撞指鸟类与飞行器等发生碰撞，造成飞行事故[1-2]。随着航空技术的发展，鸟撞事件呈增加的趋势[3-4]。由于发动机风扇叶片处在最前端，属较易受鸟撞击的部位，因此对其进行抗鸟撞研究具有重要意义[5]。早期的鸟撞研究主要以试验为主，随着计算机技术以及有限元数值模拟技术的发展，现多采用计算机模拟方法[6-12]。文献[13]以某型直升机主桨叶为例，使用瞬态动力学分析软件（MSC Dytran），采用流固耦合算法对鸟撞过程进行数值模拟；文献[14]则利用神经网络方法，分别采用BP神经网络和RBF径向机网络2种方式建立预测模型，通过实际观测数据对训练好的鸟撞模型做仿真预测；文献[15]基于神经网络方法对鸟撞飞机风挡反问题进行研究，取得了良好效果。

本文分析了在鸟体撞击旋转状态下第1级风扇不同叶片位置的概率，建立了鸟体撞击叶片的有限元模型，确定了重点分析部位。并分析了发动机第1级风扇叶片鸟体撞击损伤。

1 鸟撞击叶片不同位置概率

1.1 鸟体飞向叶片不同部位概率

按照国军标要求，采用密度为910kg/m3、直径为89mm、直径和长度比为1∶2的材料制成模拟鸟。

由于不同半径圆环面积不同，鸟飞向进气道不同半径高度的概率也不同。针对模拟鸟，将圆环面积按半径等分成3部分，分别表示叶尖区域、叶中区域和叶根区域。假设鸟飞向风扇进气口，且飞向任何部位的概率都一样，则鸟飞向叶尖、叶中和叶根区域的概率Pfj、Pfz、Pfg为

式中：Syj为叶尖区域面积；Syz为叶中区域面积；Syg为叶根区域面积；Sq为整个叶片区域面积。

1.2 鸟体穿过支板间隙概率

由于风扇前有进气支板，因此鸟撞击发动机时，可能先撞击到进气支板上，通过支板间的空隙才能撞击到风扇叶片上。在不同径向高度，鸟体通过支板的概率不同。

定义某处撞击半径为R，此处支板间隙为L，二者关系为

定义鸟体直径为D，则鸟体穿过半径R处支板间隙的概率Pc为

针对鸟体，得到不同径向高度，鸟体通过支板的概率如图1所示。

图1 不同径向高度鸟体通过支板的概率分布

图1中鸟体穿过叶尖部位支板间隙的概率约为50%，穿过叶中部位支板间隙的概率约为30%，在根部位置，由图1中的曲线可以推知，穿过概率数值小于0，即表示不可能穿过叶根位置的支板间隙。计算中，鸟体直径为模拟鸟直径，而实际鸟体直径应大于模拟鸟直径，同时支板后还存在可调导向叶片，因此在实际情况下穿过支板间隙的概率比计算值更低。

1.3 鸟撞击风扇某处的概率

鸟如果要撞击风扇叶片某半径处，首先需要飞向此处，然后穿过支板后撞击到风扇叶片上，因此鸟撞击半径R处的概率P为

取各区域半径的中值表示撞击区域，叶尖、叶中和叶根半径Rj、Rz和Rg，及鸟撞击叶尖、叶中和叶根概率 Pj、Pz和 Pg为

综上，鸟体穿过根部支板间隙撞击风扇叶片根部的概率很小，最可能撞击的部位为风扇叶尖部位，对此下文将重点分析。

2 确定风扇叶片损伤最大的位置

理论分析表明，撞击损伤与撞击模型有关，但不能通过定性分析给出撞击危险部位，需要针对具体撞击模型，通过数值模拟分析才能确定。因此，针对同一撞击模型，分别对撞击叶尖、叶中和叶根3种部位进行数值模拟，对损伤进行对比分析，确定发动机风扇较危险撞击部位。

分析过程中叶片榫头与轮盘榫槽部位、叶片缘板、叶片叶身和叶片凸肩之间按接触处理，轮盘槽底以下部分定义为刚体，约束除转动自由度外的其他自由度。所建计算模型如图2所示。

图2 有限元计算模型

模拟鸟撞击风扇叶片叶尖、叶中、叶根部位，得到撞击后风扇转子叶片塑性变形如图3所示。在模拟计算过程中，除撞击部位不同外，其他参数相同。

图3 鸟撞击不同位置的塑性变形

通过数值模拟得到发动机风扇叶片撞击不同位置后的损伤情况，具体见表1。

表1 撞击不同位置的损伤

分析表1可知，通过撞击后造成的损伤对比分析，撞击叶尖和叶中时损伤更大，可能导致前缘掉块、撕裂裂纹和凸肩搭接。

3 风扇转子鸟撞击损伤分析

基于冲击计算软件平台，采用动力学分析有限元计算方法分析鸟体撞击叶片过程和鸟撞损伤程度。此材料模型沿壳体单元厚度方向可以使用不同性质的铺层，每层可以分别定义材料参数和失效模式。叶尖部位为撞击部位，针对状态1～4，1只鸟撞击速度分别为120、143、181、195m/s。

3.1 计算结果

分别针对4种试验状态进行数值模拟，得到损伤结果。

（1）状态 1

对应状态1，撞击后风扇转子的塑性变形如图4所示。

图4 鸟撞击塑性变形（状态1）

从图4中可见，在鸟撞击过程中，有5片叶片受到撞击影响，其损伤情况为：叶片和凸肩都受到一定损伤，叶尖前缘发现掉块；伸根部位发生大的塑性变形；叶根前缘有一定塑性变形；叶片中部凸肩部位前缘发生撕裂；凸肩错位搭接，变形较大，局部有掉块现象。

（2）状态 2

对应状态2，撞击后风扇转子的塑性变形如5所示。

图5 鸟撞击塑性变形（状态2）

从图5中可见，在鸟撞击过程中，有3片叶片受到碰撞后发生一定损伤。其损伤情况为：叶片叶尖及根部前缘发生了塑性变形，但未发生撕裂裂纹、卷边、凹陷变形，结构保持完整；凸肩相互接触，未发生错位、搭接、掉块。可见在此状态时，鸟撞击叶片叶尖未对风扇叶片造成大的损伤。

（3）状态 3

对应状态3，撞击后风扇转子的塑性变形如图6所示。

从图6中可见，在鸟撞击过程中，有3片叶片与鸟发生了碰撞，受到一定程度的损伤。其损伤情况为：叶片叶尖及中部前缘发生较大的塑性变形；叶尖前缘发现掉块；叶中对应的凸肩部位发生撕裂；叶片未发现卷边、凹陷以及大的变形；凸肩相互接触，未发生错位、搭接、掉块。可见在此状态时，鸟撞击叶片叶尖会对风扇叶片造成一定损伤，发生撕裂及掉块，但不会造成严重损伤。

图6 鸟撞击塑性变形（状态3）

（4）状态4

对应状态4，撞击后风扇转子的塑性变形如图7所示。

图7 鸟撞击塑性变形（状态4）

从图7中可见，在鸟撞击过程中，有4片叶片与鸟发生了碰撞，受到较大损伤。其损伤情况为：叶片根部及榫头发生塑性变形；叶尖前缘发现掉块；叶中对应的凸肩部位发生撕裂；叶片未发现卷边、凹陷以及大的变形；凸肩发生错位搭接。可见在此状态时，鸟撞击叶片叶尖会对风扇叶片造成较大程度的损伤，出现撕裂、掉块和凸肩错位，但不会造成安全性问题。

综上，当鸟撞速度在一定范围内时，对风扇叶片的损伤较小；当鸟撞速度较小或者较大时，对风扇叶片的损伤较大。但都不会造成安全性问题。

4 结论

（1）经计算得知，鸟体穿过叶尖、叶中部位支板间隙的概率约为5 0%和3 0%，在根部位置，鸟体穿过根部支板间隙撞击风扇叶片根部的概率很小。因此，最可能受到鸟撞击的部位为风扇叶尖。

（2）通过鸟撞击后造成的损伤对比分析，撞击叶尖和叶中时损伤最大，可能导致叶片前缘发生掉块、撕裂裂纹和凸肩搭接等。

（3）对于4个具有代表性的状态计算得知，鸟撞击后可能对叶片造成一定损伤，当鸟撞速度过大或者过小时，会造成较大损伤，但都能满足安全性要求。

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