飞机翼面结构抗鸟撞设计研究

谈言朋

摘 要：首先，文章针对抗鸟撞的研究活动，提出了抗鸟撞设计的计算模型，并分别对鸟体及结构的几何模型及材料参数设置进行了说明，提供了相应的计算公式；接下来，又针对有限元模型的建立，提供了适合研究鸟撞的SPH方法，同时阐述了网格划分及边界条件处理；最后，则在模拟结果的基础上展开了讨论，分析了撞击过程中各个结构所起到的作用。

关键词：翼面结构；抗鸟撞设计；SPH方法

前言

随着经济的快速发展，民用飞机正在被大量使用，但随之也引发了大量的问题。飞机在迎风飞行状态中，极易遭受鸟体撞击，尤其是飞机的翼面结构、机翼前缘等部位。如果这些结构遭到破坏，就无法保障飞机的安全飞行。因此，在飞机一翼面结构的设计上，不仅应符合空气动力学的相关标准，同时还应充分考虑鸟撞的发生，从而提升结构的强度。但如果一味对强度进行提升，就会使结构重量增加，不利于飞机的性能维护，同时增加成本。因此，为了使这一矛盾得以圆满地解决，就必须更多地运用新材料、新设计，最大程度地保证飞机的安全性能。

1 抗鸟撞设计的计算模型

1.1 鸟体及结构的几何模型

通过建立鸟体的几何模型，可知在整个缝翼结构中，分别由前后蒙皮、肋、梁及其他角材连接构成。在计算过程中，前蒙皮将被视为均匀体，设定值为1.6mm；肋厚度为1.02mm；梁的厚度为1.8mm。在鸟体形状上，采用实心的圆柱体进行模拟，两端均设为半球状，长径比为2：1，重量为1.8kg，密度为900kg/m3，由此可以确定，圆柱直径，即半球体的直径为115mm[1]。

1.2材料参数设置

在本次研究中，假设鸟体冲击速度恒定，设为150m/s，同时利用SPH来建构鸟体模型，可得到如下的本构关系：

P=P0+B{{■}γ-1} （1）

对正撞击，B=1.12×108Pa，γ=6.77；发生撞击时，如果角度恰在90°-45°之间，则B=1.28×108Pa，γ=7.98。本次研究中将遵循这一情况，即取B=1.28×108Pa，γ=7.98。材质选择上，采用铝合金2024完成缝翼加工。本次研究的计算过程，将以Johnson-cook的屈服模型为标准，并从中得出如下的本构关系：

σ=[A+Bεn][1+Cln■]{1-{■}m} （2）

在材料失效方式设定上，体现为最大等效应变失效。即当ε≥ εf时，确定材料已经失效，单元将被删除，研究中取εf=0.19。针对连接部位的模拟，利用了铆钉完成连接。在有限元模型设计中，PAM-CRSAH采用PLANK进行模拟，在模拟过程中判断铆钉失效，并认为是在剪切，拉伸行为所产生的耦合力作用下，导致铆钉失效[2]。

2 有限元模型

2.1 SPH方法

在流体力学的应用领域，SPH方法是一种新型的计算方法，以粒子方法为理论基础进行研究。由于没有网格，剔除了因界面形变程度过大的误差因素，因而不会引起计算溢出问题[3]。对于鸟撞问题，通常有如下具体表现：第一，冲击载荷具有瞬时性；第二，属于柔性撞击；第三，形变程度较明显；第四，材料具有非线性的特点。由于鸟撞具有上述特点，因而在有限元模型中进行计算时，网格往往发生畸变，最终使计算过程无法继续。而在SPH方法中，则无需网格，因而对扭曲变形有良好的抵抗作用，能够克服有限元计算中的不足之处。针对鸟撞问题，需要进行数值模拟时，通过SPH方法来模拟鸟体，能够取得十分理想的效果。

2.2 网格划分及边界条件处理

根据鸟体的飞行速度及方向，设定缝翼夹角为α。模型中，使用了SPH方法对鸟体进行模拟，模型由5440个粒子构成，在缝翼结构上，则使用了四节点壳单元S4R，可知共划分为82076个壳单元，而整个模型中，共包括686个PLANK单元。

3 模拟结果及讨论

鸟撞开始时，在冲击力作用下，蒙皮出现凹陷，同时向四周扩展。可以看出，因為缺少铆钉的束缚，翼梢和翼根部位的凹陷程度最为明显；而当冲击结束时，蒙皮上会留下一个塑性变形区，规模约为970mm×180mm。4.05ms时，冲击点的位移幅度最大，位移值达到了164.01mm。在冲击过程中，鸟体撞击的区域部分，肋部位的塑性变形幅度较大[4]。其中，接近冲击点的部位，铆钉发生失效，脱离了梁连接，自肋直至梁上，角材完全脱落。冲击中，未发生单元失效，但仍然出现了较大的形变。

4 结束语

文章通过对飞机翼面结构抗鸟撞设计进行深入的研究和分析，指出了鸟撞事故给飞机安全性能带来的不利影响。为了在降低撞击伤害的同时，维持飞机的重量和性能，就应当积极研究新的翼面设计。文章提出了抗鸟撞设计的计算模型，并通过有限元模型完成模拟和计算，并在计算的基础上，对模拟结果进行了分析和讨论，得知前蒙皮可消耗大部分能量，能够在减轻鸟撞危害中发挥重要的作用。

参考文献

[1]罗楚养，益小苏，李伟东，等.整体成型复合材料模型机翼设计、制造与验证[J].航空材料学报，2011，21（4）：321-322.

[2]张洪涛，赵美英，任磊，等.SPH和FEM耦合方法分析机翼前缘鸟撞的响应问题[J].科学技术与工程，2013，20（7）：217-218.

[3]万小朋，龚伦，赵美英，等.基于ANSYS/LS-DYNA的飞机机翼前缘抗鸟撞分析[J].西北工业大学学报，2014，16（2）：165-166.

[4]张科施，韩忠华，李为吉，等.基于近似技术的高亚声速运输机机翼气动/结构优化设计[J].航空学报，2012，16（5）：247-248.