发动机叶片抗鸟撞的仿真研究

张敬宸

摘 要：随着我国经济的高速发展，飞行航班越来越多，飞机的鸟撞事故也随之增加，飞机发动机叶片抗鸟撞的研究也显得越来越重要。本文通过ANSYS/LSDYNA软件建立了发动机叶片抗鸟撞的有限元模型，对鸟体撞击发动机叶片的过程和动态力学响应进行了数值模拟。计算获得特征点的位移时间曲线，等效应力等参数。计算分析了鸟体撞击发动机叶片的根部，中部和尖端时鸟体和发动机叶片的变形过程和力学响应的影响。

关键词：发动机叶片;鸟碰撞;有限元;数值模拟

中图分类号：V235.13 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）07-0056-03

1 研究背景和意义

现如今我国经济和科技快速发展，航空飞机的数量和班次都在随之增加，但是飞机鸟撞事故一直在影响人们的飞行安全。据我国有关部门统计，在地面安全事故中，鸟类碰撞事故占事故总数的21%。飞机鸟撞事故是航空发动机异物损坏事故中最严重的一起，造成世界各地重大人员伤亡事故。它严重威胁着民航飞行的安全和军事航空任务的安全，引起了国际社会的高度重视。当鸟体撞击发动机叶片时，很容易使发动机叶片变形，从而导致严重后果，例如发动机推力下降。鸟撞发动机叶片也可能使发动机叶片断裂，一旦发动机叶片断裂，极大可能引起发动机系统或其它系统的损毁。这些后果将影响航空航班的安全，也会带来一些经济损失。因此，研究飞机发动机叶片防鸟撞击的主题是飞机安全的根本保证。工程设计和研究部门一直非常重视鸟撞发动机叶片预防措施的研究。设计和研究航空发动机叶片防鸟撞击保护装置对于提高航空飞行安全性，减少财产损失，挽救乘客生命具有重要意义。[1]

1.1 研究现状

在鸟撞发动机叶片测试研究方面，一些外国航空公司采用了鸟类测试刀片模型，但这种测试既昂贵又危险。中国大多数研究机构使用高压空气炮和高速摄影来研究鸟类对飞机的影响。鸟类碰撞的数值研究归因于物理学中高速碰撞的瞬态动力学，具有高瞬态非线性，严重断裂和高应变率。[2]在早期对于鸟撞问题所研发了一些程序。例如，在1980年美国使用的MAGNA程序中，该程序使用解耦方法将鸟类部分与飞机部分分开，这具有一定的局限性。随着发动机叶片研究的发展，鸟撞式发动机叶片的耦合算法程序已逐步投入使用，具有代表性的MSC.DYTRAN程序和LSDYNA程序。在1978年，Wilbeck就进行了关于鸟撞发动机叶片的平板试验研究，研究了不同的鸟体在不同的速度撞击刚性平板和柔性平板，并对研究的结果进行分析计算。随后，在1978年，巴伯测试了鸟类的冲击力对刚性目标的影响随时间的变化。并且根据靶板对于鸟撞击的不同结果提出了3种不同的响应模型。它们是理想的刚体模型和局部刚体模型以及局部变形模型。在此之后的学者均以 Wilbeck和 Barber的试验结论为基础，提出了许多鸟撞发动机叶片的简化模型，这些模型为鸟类碰撞问题的解耦算法和研究分析奠定了基础。

1.2 研究方法和研究内容

本文运用LS/DYNA软件建立了鸟体撞击发动机叶片的数值计算模型。研究了发动机正常工作状态下鸟体撞击叶片根部、中间部位和顶部时叶片的变形和受力情况，为发动机叶片抗鸟撞设计提供相应的参考。[3]

2 数值模型的建立

2.1 网格模型

利用有限元的思想，将物理上所要求解的结构或者连续体离散为若干个小单元，并且每个小单元之间通过节点相连接，构成了整个连续体或结构。待求解的场函数或其导函数的节点值及近似差值函数确定单元中的假设的近似函数，该近似函数分块代表着待求的未知变量，通过与待求问题等效的方法建立单元节点方程组，利用计算机求解节点的未知变量，这样就将连续体中的无限自由度问题转化为有限个离散单元的自由度的问题。得到的单元节点值后，通过假设的近似函数确定场函数，从而得到原问题的解。将已建立的模型导入ANSYS中对其进行前处理，然后对其进行单元划分。定义接触类型为点面接触，建立的模型，如图1所示。

2.2 材料参数

在叶片鸟撞击瞬态响应研究中，把鸟和叶片做出对应的网格模型。计算时鸟体取初始速度为180m/s，鸟体材料其密度为950kg/m3，弹性模量为3.6GPa，泊松比为0.45，杨氏模量为0.99GPa，失效应变0.55。发动机转子设置为刚体，和叶片共节点连接，转速达到12000r/min，叶片材料为钛合金，其杨氏模量为115GPa，密度为4480kg/m3，泊松比为0.3，屈服应力为1003MPa，塑性硬化模量为1150MPa。[4]

2.3 情景模拟

将鸟体模型在ANSYS软件里延y轴方向位移，得到三组鸟体撞击叶片的模型。分别是鸟体撞击发动机叶片根部，鸟体撞击发动机叶片中部，鸟体撞击发动机叶片梢部。分别将三组模型进行计算，通过LSPREPOST软件将计算出的结果显示出来。利用LSPREPOST软件计算出叶片各点所受到的应变力大小及位移大小。

叶片初始转速延顺时针方向，大小为，12000转/分钟。鸟体冲击速度为180米/秒。将已经规定好速度的发动机叶片和鸟体带入LS-DYNA进行计算，计算出鸟撞发动机叶片根部、中部、梢部三个部位时鸟体和发动机叶片的变形过程和动态力学响应，获得特振点的位移时间曲线，等效应力等数据。

3 数值模拟结果及分析

鸟体被叶片切割后，被切割的一部分从发动机下部穿过，上半部分从叶片的中的间隙中穿过。其中，在鸟体撞击根部时，大部分鸟体穿过轮盘，可能对后续的气压机进行损伤，撞击叶片根部过程中叶片变形小，对发动机叶片的损伤较小。撞击中部时，鸟体被切割的成度较大，部分鸟体顺轮盘穿过，其余部分鸟体被叶片切割，顺叶片间隙穿过，对发动机的影响较小，所撞击的叶片有所改变。在撞击叶片梢部时叶片的变形程度最大，发生了很大的形变，并且所影响的叶片较多，可能会导致发动机无法正常工作。

鸟体撞击叶片不同高度（根部、中部、梢部）时，通过LS-DYNA进行计算得出撞击结果。分别将三次撞击过程分为7个不同的时刻进行对比。通过对比得出在鸟体撞击根部时鸟体撞击叶片数为3，对叶片的影响最小。在鸟体撞击中部时鸟体撞击叶片数为3，对叶片有较多的影响。当鸟体撞击梢部时鸟体撞击叶片数为4，对叶片的影响最大。选出各个情况中的特振点生成应变力随时间变化的图像如图2-图7所示。

4 结语

通过本次研究得出：鸟体撞击的部位对于叶片的变形程度有较大的影响。当鸟体撞击发动机叶片根部时对于发动机的影响最小。当鸟体撞击发动机叶片中部时会对发动机叶片造成一定的变形。当鸟体撞击发动机梢部时发动机叶片位移较大，叶片之间互相影响将会对发动机叶片造成严重变形，发动机无法正常工作，可能会引起较大的事故。因此，要对发动机梢部进行相应的防护来保护发动机的正常工作。

参考文獻

[1] 白杰，张闻东，王伟.CFM56-5B型发动机风扇叶片鸟撞有限元仿真[J].航空科学技术，2014（08）：48-53.

[2] 蒋向华，王延荣.采用流固耦合方法的整级叶片鸟撞击数值模拟[J].航空动力学报.2008，23（02）：299-304.

[3] 刘军，徐龙红.某发动机一级压气机叶片抗鸟撞数值模拟[J].强度与环境，2012（05）：38-44.

[4] 陈伟，关玉璞，高德平.发动机叶片鸟撞击瞬态响应的数值模拟[J].航空学报，2003，24（06）：531-533.