飛機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)抗鳥(niǎo)撞的有限元分析

飛機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)抗鳥(niǎo)撞的有限元分析

ls-dyna是世界著名的通用開(kāi)元分析程序，可以模擬真實(shí)世界的各種復(fù)雜問(wèn)題。在今天，最具挑戰(zhàn)的工程應(yīng)用也被廣泛視為最佳分析軟件包。LS-DYNA能夠預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)模型對(duì)真實(shí)世界的各種事件是如何響應(yīng)的,所以可以最大程度地縮短設(shè)計(jì)周期,減少重復(fù)試驗(yàn)的耗費(fèi)。程序功能及計(jì)算方法有統(tǒng)計(jì)表明,全球每年大約發(fā)生1萬(wàn)次鳥(niǎo)撞飛機(jī)事件,國(guó)際航空聯(lián)合會(huì)已將鳥(niǎo)撞定為“A”類(lèi)航空災(zāi)難。0.45kg重的飛鳥(niǎo)與時(shí)速500km的飛機(jī)相撞,沖擊力為80000多N,足以使飛機(jī)的擋風(fēng)玻璃、機(jī)體、發(fā)動(dòng)機(jī)葉片或外罩等發(fā)生嚴(yán)重變形或破碎,從而造成災(zāi)難。因此,飛機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)的抗鳥(niǎo)撞性能一直是設(shè)計(jì)時(shí)需考慮的重要因素?，F(xiàn)代客機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)研制時(shí)都要進(jìn)行鳥(niǎo)撞物理試驗(yàn),通常要求在鳥(niǎo)撞后仍能保持足夠的推力,并能夠繼續(xù)飛行約20min。由于鳥(niǎo)撞物理試驗(yàn)費(fèi)用昂貴、周期長(zhǎng)、難以提供足夠的信息,因而通常都只是驗(yàn)證性的試驗(yàn),在研究過(guò)程中,有限元仿真模擬技術(shù)得到廣泛的采用,并成為主要研究手段。鳥(niǎo)撞過(guò)程時(shí)間一般為50ms左右,此過(guò)程中鳥(niǎo)肌體將發(fā)生流動(dòng)變形并解體拋灑,飛機(jī)結(jié)構(gòu)亦產(chǎn)生大變形,甚至發(fā)生破壞,例如擋風(fēng)玻璃破碎、機(jī)體洞穿、發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片斷裂等,雖然結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)將在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)持續(xù)發(fā)生,但研究的時(shí)間段一般不超過(guò)100ms。鳥(niǎo)撞模擬程序必須具備的功能是:·飛鳥(niǎo)物理材料的描述;·飛鳥(niǎo)流動(dòng)變形以及破碎的描述;·飛鳥(niǎo)與飛行器接觸的描述;·飛行器結(jié)構(gòu)大變形、侵徹和破壞過(guò)程的描述;·材料應(yīng)能考慮應(yīng)變率的影響;·有對(duì)大型數(shù)值問(wèn)題的求解能力;LS-DYNA是高度非線性有限元顯式求解程序,主要用于分析結(jié)構(gòu)在高速撞擊、爆炸等動(dòng)載荷下的動(dòng)態(tài)響應(yīng),同時(shí)具有強(qiáng)大的流體功能,可進(jìn)行流體/固體耦合分析。LS-DYNA是世界范圍內(nèi)對(duì)鳥(niǎo)撞仿真所廣泛采用的工具,用戶包括Boeing、GE、Pratt&Whitney、Rolls·Royce、Lockheed·Martin、LoralVoughtSystems等在內(nèi)的著名航空航天器及動(dòng)力設(shè)備廠商,以及包括JetPropulsionLab、NASAGlennResearch、MIT、Oxford等在內(nèi)的高級(jí)研究機(jī)構(gòu)。鳥(niǎo)撞過(guò)程中飛鳥(niǎo)的材料呈流體,LS-DYNA中飛鳥(niǎo)的材料采用流體動(dòng)力材料,除定義一般材料性質(zhì),如密度、粘度外,附加的狀態(tài)方程用于定義其流體屬性,如可壓縮性,飛鳥(niǎo)破碎的參數(shù)等。只有更真實(shí)地描述鳥(niǎo)撞擊過(guò)程中鳥(niǎo)的變形特性,才能更準(zhǔn)確地反映鳥(niǎo)撞擊的載荷特性。過(guò)去,鳥(niǎo)撞分析一般把鳥(niǎo)體的撞擊簡(jiǎn)化為瞬態(tài)載荷力,人為地簡(jiǎn)化了鳥(niǎo)撞響應(yīng)機(jī)理。之所以這樣處理是因?yàn)?程序中單元的變形能力不足以模擬飛鳥(niǎo)的流動(dòng)和破碎過(guò)程;鳥(niǎo)撞過(guò)程不僅與載荷,還與其流動(dòng)過(guò)程以及破碎的時(shí)間密切相關(guān)。LS-DYNA提供3種方式:一是采用Lagrange或ALE(任意拉格郎日-歐拉);二是采用Euler兩種類(lèi)型單元描述飛鳥(niǎo)的流動(dòng)和破碎;三是采用SPH光順質(zhì)點(diǎn)描述飛鳥(niǎo)的流動(dòng)變形和破碎。Lagrange或ALE的變形能力很大,足以描述與結(jié)構(gòu)分離前的變形;Euler單元可正確描述任意程度的變形;SPH算法可準(zhǔn)確描述飛鳥(niǎo)的解體和碎裂。(2)當(dāng)采用Euler描述時(shí),使用流體/結(jié)構(gòu)耦合算法;(3)當(dāng)采用SPH算法時(shí),使用SPH通用接觸算法。對(duì)于結(jié)構(gòu)(飛行器)材料,例如彈性破壞材料(擋風(fēng)玻璃)、彈塑性破壞材料(葉片、發(fā)動(dòng)機(jī)外罩),或可考慮失效的疊層復(fù)合材料(機(jī)體、機(jī)翼)等,可使用LS-DYNA附加破壞算法。面碰撞的安全性能難度據(jù)統(tǒng)計(jì),在交通事故死亡人數(shù)中,因側(cè)面碰撞導(dǎo)致死亡的接近30%。與汽車(chē)正面相比,汽車(chē)側(cè)面吸能結(jié)構(gòu)件較少,乘員與車(chē)身結(jié)構(gòu)件之間的距離短,一旦受到來(lái)自側(cè)面的撞擊,將嚴(yán)重危及乘員的生命。在歐洲、美國(guó)、日本等汽車(chē)工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家,正面碰撞、側(cè)面碰撞、追尾碰撞等常見(jiàn)事故形態(tài)很早就被列入安全法規(guī)體系中。而我國(guó)汽車(chē)工業(yè)起步相對(duì)較晚,相應(yīng)的汽車(chē)安全法規(guī)大多參考?xì)W美等國(guó)家,并在其基礎(chǔ)上根據(jù)國(guó)情制定。我國(guó)在2006年制定了新車(chē)安全評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)(ChinaNewCarAssessmentProgram,C-NCAP),該規(guī)程旨在建立高標(biāo)準(zhǔn)、公平和客觀的車(chē)輛碰撞安全性能評(píng)價(jià)方法,以促進(jìn)車(chē)輛技術(shù)的發(fā)展,追求更高的安全理念。該標(biāo)準(zhǔn)意義在于給消費(fèi)者提供新車(chē)上市車(chē)輛的安全信息,并推動(dòng)生產(chǎn)企業(yè)增強(qiáng)對(duì)安全標(biāo)準(zhǔn)的重視,提高車(chē)輛安全性能和技術(shù)水平。相對(duì)于正面碰撞有很大的吸能緩沖空間,而側(cè)面碰撞只提供了很少的緩沖區(qū)域,所以,提高轎車(chē)側(cè)面碰撞的安全性能難度很高,這也是當(dāng)前很多國(guó)內(nèi)汽車(chē)廠家自主研發(fā)急切需要解決的問(wèn)題。側(cè)面碰撞模擬計(jì)算利用64位LS-DYNA971MPP版軟件、OS為64位linuxredhat4.0AS版本,硬件為NEC公司最新的英特爾志強(qiáng)雙CPU8核服務(wù)器,前處理用HyperMesh軟件、后處理用LsPrePost軟件。通過(guò)對(duì)比分析可知,車(chē)體結(jié)構(gòu)的側(cè)面碰撞模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果是較為吻合的。仿真計(jì)算分析作為通用型的有限元軟件,LS-DYNA適合仿真線性、非線性、靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、接