• 1.引言
  

鳥撞是指航空器(包括固定翼和旋翼)與天空中的鳥體相互撞擊造成的事故。鳥撞如果發生，通常會造成災難的后果，既會威脅到機組人員和旅客的生命財產安全，也會導致飛機結構的損壞甚至引發機毀人亡的后果。

     

  鳥撞發動機外殼造成的損傷             鳥撞發動機進氣道風扇造成的損傷

針對鳥撞對飛機安全飛行的影響，歐美國家的民航管理部門都制定了相關的鳥撞擊方面的適航性條款。如 FAA 在《美國聯邦航空管理條例》FAR25部中做出規定：航空器與 4 磅(約合 1.81 千克)的鳥相撞，撞擊之后航空器必須能夠完成飛行直至降落，撞擊時二者的相對速度為航空器的海平面巡航速度，或者在 8000 英尺高度下航空器速度的85%，這兩種情況視事故發生的嚴重度而選取。同時 EASA 的 CS-25和中國民用航空局的 CCAR25 部(運輸類飛機適航標準)中對于鳥撞擊也有類似的規定。

對于鳥撞問題許多國家都成立了各自的研究機構，其中比較著名的有 BSC-USA(美國鳥撞研究委員會)、BSCE(歐洲鳥撞研究委員會)以及 IBSC(國際鳥撞研究委員會)。防止發生鳥撞事故，主要從兩方面入手，一方面通過建立大量的驅鳥設施，研究鳥類的飛行軌跡避免和航空器的航空相沖突。另一方面通過改變航空器結構強度提高抗鳥撞擊的能力。民航的發展是以安全性作為前提，因此鳥撞問題的研究對提高航空器的安全飛行是至關重要的。

在鳥撞擊風扇葉片的過程中，由于鳥體減速而產生的巨大應力遠遠超過鳥體材料的屈服強度，致使鳥體發生了流變，因此鳥撞擊過程可被描述成一個非恒定的流體動力學過程。對鳥撞擊物理過程的理論與試驗研究表明：鳥對剛性靶體的撞擊可以分為初始撞擊，壓力衰減，恒定流動，流動終止四個階段。

在初始撞擊階段，鳥體前沿表面的質點相對于靶體表面突然靜止，由此產生激勵波并在鳥體中傳播，如圖（a）所示。位于激波后方的材料處于靜止狀態，在該區域產生極高的初始沖擊壓力，均勻地分布在撞擊區域的靶面上。由于鳥體邊緣為自由表面，靠近鳥體前沿的材料承受了較高的壓力梯度，這個壓力梯度使材料向外徑向加速，形成徑向松弛波，此階段稱為壓力衰減階段，如圖（b）所示。松弛波是一種扇形的弱膨脹波，由鳥體的自由表面向中心傳播。在經過激波作用后的介質中，聲速總是大于激波傳播速度。在松弛波不斷地與激波相互作用之下，經過幾次反射，進入恒定流動階段，如圖（c）。此后，流體質點接近靶面時，其速度降低而局部壓力提高，當鳥體的末端進入這個壓力場時，由于鳥體末端自由表面的干擾，壓力場受到破壞，撞擊表面的壓力持續下降，直到鳥體末端抵達靶面，壓力降為零，整個撞擊過程結束。

由于鳥撞葉片過程屬于高應變率、大變形、非線性接觸碰撞，傳統的有限元方法難以模擬這個過程。SPH（Smoothed Particle Hydrodynam ics）光滑質點流體動力學算法是無網格算法的一種，起初源于模擬天體物理演化計算，是一種純拉格朗日粒子算法，是一種質點算法，它將流體力學連續方程用粒子方程來替代，粒子之間的作用通過插值方式來決定。由于 SPH 是一種質點算法，因此計算空間導數時不需要使用任何網格，而被插值公式中的解析微分式子所代替，從而避免了高維拉氏差分網格中的網格纏結和扭曲等技術難題，目前被廣泛應用于處理結構動力學問題，如結構大變形解體、碎裂等分析（如高速碰撞、流固耦合碰撞等），其特點是在模擬物體大變形時，既可以克服 Euler 方法難于跟蹤結構變形和不能識別材料界面位形的缺點，同時也解決了傳統Lagrange 方法在大變形下的網格扭曲問題，因此對于計算鳥撞擊這種高速碰撞問題特別有效。

• 2.有限元模型

以某發動機葉片為研究對象，材料為TC11鋼，其彈性模量為115GPa,采用Mat24號材料模擬，其基本材料特性為：彈性模量E=115 000 MPa,密度4.48e-9 Ton/mm3，泊松比為μ=0.3，屈服應力σs=1003 MPa，硬化模量Etan=1150MPa，斷裂應變0.15。

根據文獻，鳥分為大鳥、中鳥、小鳥三個類別，這里取中鳥進行分析，采用直徑為120mm，質量約為1.82kg的橢球體模擬，并以250 000 mm/s的速度撞向葉片。

鳥的材料參數運用Mat9號材料結合Guneisen狀態方程來模擬，其參數見下表。

• 3.仿真結果