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一、概述

    隨著航空技術的迅猛發展，飛機數量和飛行航次急速增多，飛機鳥撞事故的數量也呈現上升趨勢。鳥撞事故一般發生在飛機起飛降落階段，以及軍用飛機低空高速飛行時。飛機鳥撞事故的嚴重程度取決于所撞飛機部位、鳥體質量以及鳥與飛機相對撞擊速度。根據統計，發動機風扇葉片和風擋是受鳥撞擊概率最大的兩個部位。由于鳥體的沖擊力可能會打碎發動機葉片，而鳥在被攪碎之后，遺骸也可能堵塞發動機的管道，在撞鳥后，發動機往往會出現喘振起火，甚至自行停車，因此鳥撞發動機葉片的危害極大。

    鳥撞發動機的研究主要有實驗和數值仿真方法兩種。早期主要通過實驗進行，但這類試驗成本很高。20世紀隨著計算機和仿真技術的發展，數值仿真在鳥撞發動機的研究中得到了廣泛應用。鳥撞發動機問題屬于高度非線性沖擊動力學問題，撞擊過程中葉片會產生大變形，而鳥體會呈現碎裂、流變現象。因此對鳥體建立準確地數值模型是鳥撞數值分析中的難點。

    根據鳥撞發動機風扇葉片動態響應的特點，本文混合使用SPH方法和有限元方法，鳥體采用SPH方法建模，用流動的粒子描述鳥體的大變形、破碎及飛散。發動機葉片區域使用有限元Lagrange方法，用Johnson-Cook材料本構模型模擬高速碰撞下的塑性變形。

二、工況及建模

    飛機渦扇發動機風扇由葉片和輪轂組成。葉片呈發散狀，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，塑性本構采用Johnson-Cook模型。本例的材料參數由南京智能制造研究院的CoCreation材料數據庫提供，感興趣的可以添加微信公眾號“天天材訊”進行了解。

                                                            圖 1 發動機葉片的FEM模型

                                                                    圖 2 鳥體SPH模型

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

                                                                    圖 3 鳥體撞擊葉片位置

三、仿真分析結果

    利用LS-DYNA計算得到三個工況的模擬結果，下圖給出了鳥體撞擊葉片的不同位置（葉梢、中部、葉根）時鳥體與葉片相互作用過程在3個不同時刻的比較。

    由圖中可知，鳥體撞擊中部和根部時，鳥體大部分從葉片穿過，此時鳥體仍然具有較大的質量和速度，對后續壓氣機的損傷會有較大的影響，且撞擊中部時葉片的變形很大；撞擊葉梢時，鳥體完全撞散，且滑過葉片的鳥碎片較少，對后續壓氣機的影響較小，但此時葉片的變形最大。

                                                                圖 7葉尖位移-時間曲線

四、結論

    本文通過SPH方法模擬鳥體，用Johnson-Cook本構模擬葉片碰撞塑性變形，并對鳥體撞擊葉片不同位置進行了數值仿真，得到了一系列的葉片變形圖、應力及位移曲線。研究結果表明：鳥體撞擊發動機風扇葉片的機械損傷程度和鳥體的撞擊位置有很大的關系，當鳥體撞擊葉梢時，葉尖位移很大，且葉根出現較大應力峰值，容易使葉片發生斷裂，對發動機的損傷最大；當撞擊葉根和中部時，部分鳥體容易滑入發動機內，會損傷后續壓氣機。實際中應該盡量避免葉片與高動能的鳥體發生碰撞。