基于LS-DYNA顯式求解器模擬飛機發動機風扇葉片的鳥類撞擊

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基于LS-DYNA顯式求解器模擬飛機發動機風扇葉片的鳥類撞擊

前言

1903年12月17日，萊特兄弟（Wright Brothers）首次試飛了世界上第一架飛機“飛行者一號”。不到兩年后的1905年09月07日，弟弟奧維爾·萊特（Orville Wright）就記錄了飛行器與鳥類的第一次碰撞。飛行器的出現打破了天空的平靜，人與鳥類沖突不斷發生。鳥類碰撞也可能導致更嚴重的后果，卡爾·羅杰斯駕駛著一架VinFiz的萊特EX雙翼飛機，在1911年成為第一個乘飛機穿越美國的人。但在1912年04月03日，在加利福尼亞州長灘的一次演示飛行中，他的飛機與一只海鷗相撞，飛機隨后失去控制并墜入太平洋，這是第一次鳥類襲擊導致的人類死亡事件。從那時起的一百多年里，隨著飛機和航空旅行的增加，鳥類和飛機之間的空中事故也在增加。當鳥類生命和飛機共享空域時，事故是不可避免的。

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飛行員卡爾·羅杰斯是第一個死于鳥類襲擊事故的人。（圣地亞哥航空航天博物館）

鳥類撞擊的特征

根據美國鳥類襲擊委員會（Bird Strike Commission USA，該組織成立于1991年，旨在促進信息交流，促進野生動物襲擊數據的收集和分析）的統計，鳥類和其他野生動物襲擊每年對美國民用和軍用航空造成超過6.5億美元的損失。此外，鳥類襲擊使機組人員和乘客的生命處于危險之中——自1988年以來，由于野生動物襲擊，全世界已有200多人死亡。他們預測隨著空中交通工具數量和鳥類數量的增加，鳥類與飛機碰撞的風險，頻率和潛在嚴重程度將在未來十年持續增加。

鳥擊傷害示例：鳥擊傷害可能相當嚴重，并可能關閉噴氣發動機。（波音公司）

匯總各種來源的綜合數據，從1990年到2014年，共有133940起鳥類撞擊飛機的報告，其中造成飛機損壞的次數為15472次，平均每年約619次。所有鳥類撞擊事故中，撞擊發動機的比例最高，約為44%，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。

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鳥擊傷害的位置：約一半涉及飛機發動機。（European Aviation Safety Agency）

鳥類撞擊造成飛機損壞和飛行影響，航空工程師也專注于如何加強飛機結構設計，以便在不可避免的情況發生時最大限度地減少損害并確保飛行安全。為了符合鳥擊要求，飛機工程師傳統上被要求對所有結構進行測試。測試主要有實驗和數值仿真方法兩種。早期主要通過實驗進行，但這是一個昂貴且耗時的過程，使用壓縮空氣向結構體發射已知質量和密度的物體，以測試碰撞過程中可能發生的情況。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。

鳥類撞擊的模擬

幾何模型

LS-Pre中導入附件BirdStrike-KFiles中幾何模型關鍵字文件（幾何模型關鍵字文件由4部分組成，發動機外殼，葉片，輪轂和鳥）

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BirdStrike-KFiles中幾何模型關鍵字文件

導入文件后將各部件移動至合適的位置進行裝配，并在Renumber選項下對零件的節點和元素進行重新編號。

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BirdStrike幾何模型

材料模型

發動機外殼材料彈性模量為200Gpa，其他數據假設接近鋼，FAIL值非常大，傾向于不會損傷失效，殼體定義厚度為3 mm，ELFORM為2（默認為別利奇科-齊）。

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發動機外殼材料模型

與發動機外殼相似，我們將材料（MAT_024），殼體和零件分配給Blades.k文件,發動機葉片E = 68.94 Gpa和FAIL = 0.2723，這意味著當材料達到塑性應變值的27.23%時，材料將失效，指定殼體部分的厚度為3mm。

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發動機葉片材料模型

下是我們通過LSID（13000）輸入到發動機葉片材料卡的材料數據，單位系統是Kg- mm-ms。

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發動機葉片的材料數據

同樣，對于發動機輪轂，我們將材料（MAT_024），截面（實體）和零件分配給Hub.k文件。Hub分配的E值為145Gpa，并且具有較高的FAIL值。

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發動機輪轂材料模型

對于鳥類模型，我們首先使用MAT_Elastic（001）和殼體截面厚度6毫米，楊模量為2Gpa，泊松比值為0.15和低密度值。鳥類模型的彈性模量較小，表明軟肌肉結構。鳥體在結構分析中是一種軟體撞擊，鳥類可以被認為是一種流體材料，因此如果我們用光滑粒子流體動力學（SPH）來表示鳥體會更好，我們將在討論部分進行對比。

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鳥體材料模型

邊界條件

發動機外殼使用單點約束（SPC）約束節點的所有DOF。

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發動機殼體約束模型

我們分配發動機葉片OMEGA（w） = 0.5 rad / ms 的初始速度。假設葉片的速度接近5000rpm，那么OMEGA（w） = 523 rad/s = 0.523 rad/ms ≈ 0.5 rad/ms。

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發動機葉片約束模型

在 X 方向上指定鳥體初始速度生成為20毫米/毫秒（72公里/小時）。

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鳥體初始速度

在輪轂和葉片之間綁定節點與表面接觸，因為輪轂是一個集成體，應以相同的角速度與葉片一起旋轉。

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輪轂和葉片的約束模型

在葉片和鳥體之間定義自動表面到表面接觸，主節點為鳥，葉片為從節點。由于我們需要觀察風扇葉片中產生的應力和應變，因此，它被定義為從屬。

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葉片和鳥體的約束模型

葉片和殼體之間定義了自動表面到表面接觸，主節點作為外殼，葉片作為從節點。

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葉片和殼體的約束模型

為葉片接觸定義自動單面接觸，主端為0，從端為葉片。

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葉片自接觸約束模型

后處理設置

為后處理結果定義“控件”和“數據庫”卡片。

控制時間步進卡在減少運行時方面起著重要作用。我們可以將DT2MS和TSSFAC的不同組合檢查在質量縮放期間添加的估計運行時間和質量百分比。在這里，我們將嘗試將添加的質量百分比保持在10%以下并減少運行時間。

我們通過保持DT2MS = -6.0E-05和TSSFAC = 0.9進行的第一次試驗，估計運行時間為5小時26分鐘，但實際上需要35分鐘，質量加成0%。

我們通過保持DT2MS = -6.0E-04和TSSFAC = 0.9進行的第二次試驗，估計運行時間為40分鐘，但實際上需要3分鐘，質量加成為24.6%。

我們通過保持DT2MS = -4.0E-04和TSSFAC = 0.9進行的第三次試驗，估計運行時間為1小時32分鐘，但實際上需要5.6分鐘，質量添加率為6.6%（可以接受），如下所示。

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控制時間步進卡

在數據庫卡中，我們將包括 ASCII、D3PLOT EXTENT_BINARY（用于后處理分析）

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數據庫卡片

模擬結果

能量圖

從能量圖中，我們可以看到總能量在模擬期間幾乎是恒定的，這表明模擬結果運行良好。撞擊沒有使得能量顯著變化，這是由于葉片的旋轉，該系統擁有大的能量，并且沖擊力并不那么嚴重，無法顯著改變現有能量。在整個模擬過程中，沙漏能量為零。在模擬過程中，動能和內能表現出非常相似的模式，其中K.E減少并且I.E增加，因此總能量在整個沖擊過程中保持恒定。

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能量圖

馮-米塞斯應力圖

該應力圖取自其中一個與鳥撞擊的葉片網格，在近t=1ms時，應力達到0.075 Gpa的峰值，然后在整個仿真過程中降低并保持在0.02 Gpa的值。

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馮-米塞斯應力圖

塑性應變圖

此應變圖取自其中一個與鳥撞擊的葉片網格。在t=1ms時，應變值峰值為0.08，之后8%的應變在整個仿真過程中保存恒定。

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塑性應變圖

鳥體與葉片接觸圖

葉片和鳥體接觸之間的能量圖很好地描繪了在表面的相互作用。接觸之前能量為零，但從0.75 ms開始，接觸的能量開始變化。從（葉片）和主（鳥體）之間的能量轉換是對稱的。在t= 1.25 ms時，變化的能量最大值為8個單位。可以看出，鳥的能量值發生了巨大變化。這是因為鳥在開始時具有線速度而具有動能。由于撞擊，這種能量會下降一定數量，鳥類會以旋轉的葉片賦予的一些額外速度改變其路徑。這在撞擊后進一步增加了動能，并且由于碰撞，內部能量也增加了一定數量。但與總能量圖相比（600個單位），該尺度下的能量水平更低，對總能量的影響不那么重要。