行業：航空航天

    挑戰：如何確保所設計的結構能夠抵御飛鳥撞擊。

    Altair 解決方案：利用RADIOSS進行鳥撞分析

    優點：仿真結果和物理試驗結果； 減少物理測試成本； 加速研發周期

    項目介紹 

   早在一個多世紀以前，就有鳥撞事件發生。事實上，Orville Wright早在1905 年就報告了首例鳥撞事件。美國聯邦航空管理局(FAA)注意到，鳥撞事件通常發生 在白天飛機降落和著陸期間。92%的撞機事件發生在距離地面3000英尺或3000英 尺以下的位置。而在這些事件的罪魁禍首中，海鷗、鳩類和鴿子約占三分之一的比 例。

   據《今日美國》報道，他們通過分析FAA數據發現，客機與飛鳥的嚴重撞擊事 故在過去兩年呈劇增趨勢。2009年，在500英尺以上的位置發生的嚴重的鳥撞事件 高達150次；2010年的統計數量與此類似。

   盡管FAA一直竭力敦促機場做好巡查工 作，讓飛鳥遠離飛機跑道，但在500英尺以上的高空仍會發生嚴重的撞機事故。 FAA為民航飛機設定了一系列最低安全標準作為認證依據。飛機不但要在設計 和構造上保證安全飛行，并且要確保在有內部或外部因素（鳥撞）干擾飛機正常運 行的情況下不發生事故。為達到這些法規要求，許多飛機制造商開始借助仿真技術 進行產品研發。 

    挑戰 

    近期屢次發生的事件凸顯了鳥撞帶來的危險。眾所周知的全美航空班機在哈德 遜河緊急迫降的事件就是因為群鳥撞機后造成兩個引擎發生故障導致的。從最輕的 后果說，鳥撞會對機身造成損傷，從而增加維修成本。而在最嚴重的情況下，可能 會導致災難性的破壞，造成墜機和人身傷亡。為了減少事故發生，許多機場進行了 改造來驅散飛行區周圍的鳥群。相關部門仍要求飛機制造商進行鳥撞試驗，并且確 保所設計的結構能夠抵御飛鳥撞擊。因此，產品研發的一大關鍵目標就是讓交付的 機身和引擎在首次試驗時就可達到法規要求。如果未能達到要求，則需要重新設計、 重新制造和重新試驗，這在時間、資金和資源上都是極大的浪費。 借鑒汽車行業的虛擬碰撞試驗，許多飛機制造商和供應商開始對鳥撞事件進行 虛擬仿真。利用顯式非線性動態瞬時分析工具，例如Altair公司的RADIOSS，能夠 成功實現虛擬仿真，從而大幅降低成本并提高性能。

    解決方案

    鳥撞分析與汽車碰撞分析截然不同。汽車行業使用過多種有限元方法，但鳥撞分析采用的標準方法是基于光滑粒子流 體力學的SPH方法。這項技術可將飛鳥試驗樣品的動能傳遞到機身結構，同時讓飛鳥樣品分解和消散。 分析過程模擬了標準的法規試驗方法。一些飛機制造公司使用動物膠來代表飛鳥，而有些公司則直接使用實際的測試 樣品。測試樣品撞擊飛機結構后會消散，類似于水珠撞擊地面。 SPH計算方法會用一組“粒子”（無序點）為飛鳥試驗樣品建模，這些粒子通過外力而不是節點連接相互交錯。因此， 結果對飛鳥的變形不敏感，但能夠清晰地體現出撞擊對飛機結構的影響。SPH方法非常適用于流體動力學材料（而飛鳥材 料遵循的定律主要就是流體動力學）。此方法以插值理論為基礎，可通過函數在一組粒子處的值來表達任意函數。此外，該 方法還可以實時跟蹤離散數目的粒子的運動。在實際仿真過程中，會基于CAD數據將目標結構建成有限元模型。其中最重 要的特性是連接特性（鉚釘）和材料特性（可塑性、破裂程度）。 RADIOSS鳥撞仿真過程包括破裂檢查、穿透時的飛鳥剩余能量估算、斷裂的鉚釘數以及破裂區域的特性，從而預測機 身分離碎片帶來的風險以及可能對飛機其它部位造成的影響。此外還需考慮飛機遭受沖擊破壞后的飛行能力（由于結構發 生變形，飛機的氣動特性也會發生變化）。 盡管單次仿真對CPU的消耗需求不是很高，但為了評估飛機結構的敏感性、結構各區域可能遭受的沖擊次數以及沖擊 式消散（發生率），需要進行多次仿真。因此，可使用優化和敏感性分析軟件來限制需要進行的仿真次數，并正確評估撞擊 事件所涉及的現象。 通常情況下，飛機制造商會搭建物理平臺來進行物理試驗。他們將物理試驗和仿真試驗結果緊密結合來改進產品研發。 通過將嚴格的物理試驗和虛擬試驗相關聯，飛鳥撞擊試驗樣品會將動能準確地傳遞給飛機結構，這正是此類仿真的關 鍵所在。Altair會針對可通過RADIOSS軟件運行的各種類型和大小的虛擬飛鳥模型提供認證相關性試驗結果。這些試驗結 果已與機翼、機艙和引擎所受的沖擊相關聯。

                                                                              飛鳥撞擊對金屬前緣結構的影響

                                                                           機翼前緣的鳥撞仿真結果和物理試驗結果所得的失效模式一致。

    針對鳥撞事件全面優化機腹整流罩 

    機腹整流罩是飛機容易遭受飛鳥撞擊的區域之一。作為次級結構，機腹整流罩理想的建造材料是輕質復合材料。通過 將OptiStruct中的先進結構優化功能和RADIOSS中的SPH 計算方法相結合，飛機制造商可在考慮鳥撞影響的情況下簡化復 合材料設計。 要將鳥撞事件作為載荷工況整合到復合材料優化過程中，首先需要計算相關動能、速度和減速信息以及所需的變形極 限，從而估算施加在飛機結構上的當量靜負荷。使用OptiStruct進行優化分析時，會考慮鳥撞的當量靜負荷以及整流罩的頻 率目標和靜態載荷工況，從而確定排氣管中各層片的最佳形狀、厚度以及順序。 之后，還需要考慮鳥撞的最關鍵位置并將這些區域加固。例如，整流罩中覆蓋油箱、飛行控制電子設備等關鍵部件的 部分需要充分加固，以承受飛鳥撞擊。一種可行的方法是使用RADIOSS分析鳥撞最嚴重的情況，從而確定保證飛行安全的 前提下這些區域的最小厚度，然后在OptiStruct優化過程中將這個最小厚度約束用于這些區域。 

   結論  

   總體而言，許多飛機OEM和供應商都已通過虛擬仿真從多個方面改善了鳥撞分析過程。Altair已與其中多家公司建立合 作關系，為其提供相關技術與專業支持以幫助他們順利完成分析過程。采用仿真所需的成本大大低于進行多次物理試驗所 需的成本。此外，通過仿真可以分析多種情況并且快速評估設計更改帶來的影響，從而實現組件重量優化。 另外，仿真工具還能有效節省流程時間。仿真使制造商對于結構設計更有把握，使物理試驗可與生產過程同時進行， 并且確保較高的試驗通過率。仿真的目標是讓設計一次通過——仿真技術經過許多應用領域的驗證，在未進行物理評估時 就能夠提供出正確的結果。

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