行業(yè)：航空航天

    挑戰(zhàn)：在新機(jī)的研制中，根據(jù)適航規(guī)章要求，機(jī)頭應(yīng)進(jìn)行抗鳥撞設(shè)計(jì)， 而機(jī)頭結(jié)構(gòu)的抗鳥撞設(shè)計(jì)一直困擾著飛機(jī)工程師

    Altair 解決方案：利用 RADIOSS 領(lǐng)先的非線性動(dòng)力求解技術(shù)，對(duì)新渦槳飛機(jī)機(jī) 頭的頂部壁板結(jié)構(gòu)進(jìn)行鳥撞分析，根據(jù)鳥撞分析結(jié)果對(duì)初始設(shè)計(jì)方案中存在的設(shè)計(jì)缺陷進(jìn)行 了改進(jìn)設(shè)計(jì)，提高了機(jī)頭頂部壁 板結(jié)構(gòu)的抗鳥撞性能。

    優(yōu)點(diǎn)：精確模擬鳥撞過程 ；提高抗鳥撞性能 ； 為改進(jìn)結(jié)構(gòu)提供依據(jù)

    背景介紹 

    鳥撞是發(fā)生在瞬時(shí)的高度非線性沖擊動(dòng)力問題，在此采用耦合法是建立鳥體模型 和結(jié)構(gòu)模型，通過兩者的接觸部位的協(xié)調(diào)條件關(guān)聯(lián)起來，求解出結(jié)構(gòu)和鳥體的動(dòng)力響 應(yīng)，能夠較為真實(shí)的模擬鳥撞過程中鳥體與結(jié)構(gòu)間的相互作用，得到了廣泛應(yīng)用。 

    利用 RADIOSS 領(lǐng)先的非線性動(dòng)力求解技術(shù)，對(duì)新渦槳飛機(jī)機(jī)頭的頂部壁板結(jié)構(gòu)進(jìn)行鳥撞分析，根據(jù)鳥撞分析結(jié)果對(duì)初始設(shè)計(jì)方案中存在的設(shè)計(jì)缺陷進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，提高了機(jī)頭頂部壁板結(jié)構(gòu)的抗鳥撞性能，為新渦槳飛機(jī)機(jī)頭結(jié)構(gòu)方案選型提供了分析依據(jù)。    

    挑戰(zhàn) 

    在新機(jī)的研制中，根據(jù)適航規(guī)章要求，機(jī)頭應(yīng)進(jìn)行抗鳥撞設(shè)計(jì)，而機(jī)頭結(jié)構(gòu)的抗鳥撞設(shè)計(jì)一直困擾著飛機(jī)工程師，早期飛機(jī)的抗鳥撞研究是從試驗(yàn)開始的,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與有限元數(shù)值計(jì)算理論的發(fā)展,鳥撞動(dòng)響應(yīng)分析方法的研究日益成熟并得到廣泛應(yīng)用，形成了以鳥撞動(dòng)響應(yīng)分析與試驗(yàn)相結(jié)合的方法來進(jìn)行飛機(jī)抗鳥撞設(shè)計(jì)，不但提高了工作效率，縮短了新機(jī)的研制周期，又降低了研制成本和風(fēng)險(xiǎn)。

    目前，采用耦合法進(jìn)行鳥撞分析時(shí)，可選取鳥體模型包括Lagrange模型、Euler 模型、ALE模型和SPH模型四種。SPH是一種無網(wǎng)格算法，是把物理流場(chǎng)用一定速度的集中質(zhì)量點(diǎn)來描述，每個(gè)質(zhì)量點(diǎn)作為該流場(chǎng)的插值點(diǎn)，問題的解通過這些質(zhì)點(diǎn)的規(guī) 則插值函數(shù)來得到，守恒方程用質(zhì)點(diǎn)內(nèi)力來表達(dá)，可以直觀的模擬鳥體的拋灑現(xiàn)象。這種鳥體模型適宜處理大變形和大位移問題，且十分容易模擬由多種材料組分（如血、肉、骨骼等）構(gòu)成的鳥體，且數(shù)值模擬計(jì)算特別穩(wěn)定。

    SPH鳥體粒子模型共計(jì)10564個(gè)節(jié)點(diǎn)，重量為1.8Kg。

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    “Altair HyperWorks 軟件 RADIOSS 求解器在新渦槳飛機(jī)機(jī)頭頂部壁板結(jié)構(gòu)鳥撞分析中的應(yīng)用，根據(jù)鳥撞 分析結(jié)果對(duì)初始設(shè)計(jì)方案中存在的設(shè)計(jì)缺陷（如結(jié)構(gòu)選材、結(jié)構(gòu)布置）進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，提高了機(jī)頭頂部 壁板結(jié)構(gòu)的抗鳥撞性能，為新渦槳飛機(jī)機(jī)頭結(jié)構(gòu)方案選型提供了分析依據(jù)?！?nbsp;

                                                                                                               ---摘自 Altair 用戶論文 作者：中航工業(yè)西飛技術(shù)中心結(jié)構(gòu)室 陳衛(wèi)衛(wèi) 王學(xué)利                                                                                                              

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    解決方案

    在HyperMesh中建立頂部壁板結(jié)構(gòu)初始設(shè)計(jì)有限元細(xì)節(jié)模型。所有結(jié)構(gòu)件均采用殼單元，用彈簧單元和固連接觸方法 模擬結(jié)構(gòu)鉚釘連接，彈簧單元一端與外框緣（或長(zhǎng)桁）建立固連接觸，另外一端與蒙皮建立固連接觸關(guān)系。使用RADIOSS 里/INTER/TYPE7定義鳥體與結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)之間的接觸關(guān)系。

    方案 1 ：選取頂部壁板結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面大于 15°的蒙皮中心和主梁 4 個(gè)危險(xiǎn)點(diǎn)部位進(jìn)行抗鳥撞分析。

    鳥撞擊位置1時(shí)鳥體粒子擊穿機(jī)身蒙皮，且頂部壁板第一個(gè)框被沖斷，約一半鳥體粒子擊穿蒙皮進(jìn)入駕駛艙；鳥撞擊位置 2時(shí)鳥體粒子擊穿機(jī)身蒙皮，約一小半鳥體粒子擊穿蒙皮進(jìn)入駕駛艙；鳥撞擊位置3時(shí)鳥體粒子擊穿蒙皮，有很小一部分鳥 體粒子擊穿蒙皮進(jìn)入駕駛艙；鳥撞擊位置4時(shí)鳥體粒子未擊穿蒙皮，無鳥體粒子擊穿蒙皮進(jìn)入駕駛艙。由以上仿真分析發(fā)現(xiàn)， 方案1頂部壁板結(jié)構(gòu)不滿足適航條款對(duì)結(jié)構(gòu)抗鳥撞的要求。

    方案 2： 選取頂部壁板結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面大于 15°的蒙皮中心和主梁 5 個(gè)危險(xiǎn)點(diǎn)部位進(jìn)行抗鳥撞分析。

    鳥撞擊位置1時(shí)鳥體粒子擊穿機(jī)身蒙皮，并且頂部壁板第一個(gè)框被沖斷，約一半鳥體粒子擊穿蒙皮進(jìn)入駕駛艙；鳥撞擊 位置2～4時(shí)鳥體粒子未擊穿蒙皮，鳥體粒子未進(jìn)入駕駛艙。由以上仿真分析發(fā)現(xiàn)，方案2頂部壁板結(jié)構(gòu)不滿足適航條款對(duì)結(jié)構(gòu)抗鳥撞的要求。

    方案 1 與方案 2 抗鳥撞分析結(jié)果比較 方案1承受鳥撞載荷時(shí)，鳥撞位置1、2、3處結(jié)構(gòu)均失效，有鳥體粒子擊穿蒙皮進(jìn)入駕駛艙，這三個(gè)部位初始設(shè)計(jì)不滿 足設(shè)計(jì)要求；鳥撞位置4時(shí)鳥體粒子未擊穿蒙皮，沒有鳥體粒子進(jìn)入駕駛艙，該部位初始設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求。 方案2承受鳥撞載荷時(shí)，鳥撞位置1處結(jié)構(gòu)失效，有鳥體粒子擊穿蒙皮進(jìn)入駕駛艙，該部位初始設(shè)計(jì)不滿足設(shè)計(jì)要求； 鳥撞位置2～5時(shí)鳥體粒子未擊穿蒙皮，鳥體粒子未進(jìn)入駕駛艙，該部位初始設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求。 改進(jìn)的設(shè)計(jì)方案 根據(jù)分析結(jié)果，頂部壁板結(jié)構(gòu)初始兩個(gè)設(shè)計(jì)方案在承受鳥撞沖擊載荷時(shí)，均發(fā)生嚴(yán)重破壞，且部分鳥體粒子均進(jìn)入駕 駛艙，不能滿足結(jié)構(gòu)抗鳥撞要求，考慮到結(jié)構(gòu)承載效率和設(shè)計(jì)成本，為提高頂部壁板結(jié)構(gòu)抗鳥撞性能，對(duì)初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行改 進(jìn)，得到如下圖示的三種頂部壁板改進(jìn)的設(shè)計(jì)方案，對(duì)改進(jìn)后頂部壁板的三種設(shè)計(jì)方案再次進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗鳥撞分析。

    對(duì)比改進(jìn)后方案一和方案二，在鳥撞位置 1、2 處，鳥撞結(jié)果非常一致，但是在鳥撞位置 3 處，方案一出現(xiàn)了蒙皮破 損，部分鳥體粒子進(jìn)入了駕駛艙，方案二頂部壁板結(jié)構(gòu)未發(fā)生破壞，方案一存在潛在的危險(xiǎn)。 

    對(duì)比改進(jìn)后方案二和方案三，在鳥撞位置 1 處，方案三壁板骨架框和長(zhǎng)桁受到了較為嚴(yán)重的壓垮和撕裂破壞，主要原因是天窗骨架整體剛度增大，在撞擊時(shí)周圍骨架吸收的能量變少，而 6 框位于鳥撞方向的正前方，此時(shí) 6 框承受了更多的 能量，從而導(dǎo)致 6 框破損比方案二嚴(yán)重，方案三潛在危險(xiǎn)比方案二更大。 

    綜上對(duì)比分析，方案二的結(jié)構(gòu)抗鳥撞性能更為理想。 

    結(jié)論 

    利用 RADIOSS 求解器對(duì)新渦槳飛機(jī)機(jī)頭頂部壁板結(jié)構(gòu)選取了多個(gè)危險(xiǎn)位置進(jìn)行了初步鳥撞分析，通過分析知機(jī)頭頂 部壁板結(jié)構(gòu)初始設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)選材、結(jié)構(gòu)布置均存在設(shè)計(jì)缺陷，不能滿足結(jié)構(gòu)抗鳥撞要求，根據(jù)鳥撞分析結(jié)果對(duì)初始設(shè)計(jì) 方案中存在的設(shè)計(jì)缺陷（結(jié)構(gòu)選材、結(jié)構(gòu)布置）進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，提高了機(jī)頭頂部壁板結(jié)構(gòu)的抗鳥撞性能，為新渦槳飛機(jī) 機(jī)頭結(jié)構(gòu)方案選型提供了分析依據(jù)。   

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