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   一、概述

    隨著航空技術(shù)的迅猛發(fā)展，飛機(jī)數(shù)量和飛行航次急速增多，飛機(jī)鳥撞事故的數(shù)量也呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。鳥撞事故一般發(fā)生在飛機(jī)起飛降落階段，以及軍用飛機(jī)低空高速飛行時(shí)。飛機(jī)鳥撞事故的嚴(yán)重程度取決于所撞飛機(jī)部位、鳥體質(zhì)量以及鳥與飛機(jī)相對(duì)撞擊速度。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片和風(fēng)擋是受鳥撞擊概率最大的兩個(gè)部位。由于鳥體的沖擊力可能會(huì)打碎發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，而鳥在被攪碎之后，遺骸也可能堵塞發(fā)動(dòng)機(jī)的管道，在撞鳥后，發(fā)動(dòng)機(jī)往往會(huì)出現(xiàn)喘振起火，甚至自行停車，因此鳥撞發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的危害極大。

    鳥撞發(fā)動(dòng)機(jī)的研究主要有實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真方法兩種。早期主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，但這類試驗(yàn)成本很高。20世紀(jì)隨著計(jì)算機(jī)和仿真技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值仿真在鳥撞發(fā)動(dòng)機(jī)的研究中得到了廣泛應(yīng)用。鳥撞發(fā)動(dòng)機(jī)問(wèn)題屬于高度非線性沖擊動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，撞擊過(guò)程中葉片會(huì)產(chǎn)生大變形，而鳥體會(huì)呈現(xiàn)碎裂、流變現(xiàn)象。因此對(duì)鳥體建立準(zhǔn)確地?cái)?shù)值模型是鳥撞數(shù)值分析中的難點(diǎn)。

    根據(jù)鳥撞發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片動(dòng)態(tài)響應(yīng)的特點(diǎn)，本文混合使用SPH方法和有限元方法，鳥體采用SPH方法建模，用流動(dòng)的粒子描述鳥體的大變形、破碎及飛散。發(fā)動(dòng)機(jī)葉片區(qū)域使用有限元Lagrange方法，用Johnson-Cook材料本構(gòu)模型模擬高速碰撞下的塑性變形。

二、工況及建模

    飛機(jī)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇由葉片和輪轂組成。葉片呈發(fā)散狀，共有20片，材料為鈦合金，其楊氏模量為115GPa，密度為4440kg/m³，泊松比為0.3，塑性本構(gòu)采用Johnson-Cook模型。本例的材料參數(shù)由南京智能制造研究院的CoCreation材料數(shù)據(jù)庫(kù)提供，感興趣的可以添加微信公眾號(hào)“天天材訊”進(jìn)行了解。

                                                            圖 1 發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的FEM模型

                                                                    圖 2 鳥體SPH模型

    鳥體初速度為160m/s，方向與葉片轉(zhuǎn)動(dòng)平面垂直，分別撞擊葉片的梢部、葉中和葉根，即圖 3中的A、B、C三點(diǎn)。

                                                                    圖 3 鳥體撞擊葉片位置

三、仿真分析結(jié)果

    利用LS-DYNA計(jì)算得到三個(gè)工況的模擬結(jié)果，下圖給出了鳥體撞擊葉片的不同位置（葉梢、中部、葉根）時(shí)鳥體與葉片相互作用過(guò)程在3個(gè)不同時(shí)刻的比較。

    由圖中可知，鳥體撞擊中部和根部時(shí)，鳥體大部分從葉片穿過(guò)，此時(shí)鳥體仍然具有較大的質(zhì)量和速度，對(duì)后續(xù)壓氣機(jī)的損傷會(huì)有較大的影響，且撞擊中部時(shí)葉片的變形很大；撞擊葉梢時(shí)，鳥體完全撞散，且滑過(guò)葉片的鳥碎片較少，對(duì)后續(xù)壓氣機(jī)的影響較小，但此時(shí)葉片的變形最大。

                                                                圖 7葉尖位移-時(shí)間曲線

四、結(jié)論

    本文通過(guò)SPH方法模擬鳥體，用Johnson-Cook本構(gòu)模擬葉片碰撞塑性變形，并對(duì)鳥體撞擊葉片不同位置進(jìn)行了數(shù)值仿真，得到了一系列的葉片變形圖、應(yīng)力及位移曲線。研究結(jié)果表明：鳥體撞擊發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片的機(jī)械損傷程度和鳥體的撞擊位置有很大的關(guān)系，當(dāng)鳥體撞擊葉梢時(shí)，葉尖位移很大，且葉根出現(xiàn)較大應(yīng)力峰值，容易使葉片發(fā)生斷裂，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的損傷最大；當(dāng)撞擊葉根和中部時(shí)，部分鳥體容易滑入發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)，會(huì)損傷后續(xù)壓氣機(jī)。實(shí)際中應(yīng)該盡量避免葉片與高動(dòng)能的鳥體發(fā)生碰撞。