龍思海，滕春明，張海東

(航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024)

0 引言

隨著飛機(jī)低空高速飛行任務(wù)的增加，鳥撞飛機(jī)的概率也隨之增加。鳥撞飛機(jī)帶來的危害已越來越為人們所認(rèn)識。由于工程試驗(yàn)法試驗(yàn)周期長、次數(shù)多，導(dǎo)致費(fèi)用很高，例如在某型飛機(jī)風(fēng)擋的研制過程中，全尺寸鳥撞試驗(yàn)就進(jìn)行了多次，制造了大量的試驗(yàn)件，試驗(yàn)費(fèi)用極高。因此，鳥撞動響應(yīng)仿真分析成為重點(diǎn)的研究方向，型號設(shè)計(jì)前期準(zhǔn)確的鳥撞動響應(yīng)仿真分析能夠節(jié)省大量的試驗(yàn)費(fèi)用。

張志林[1]等著重考慮了應(yīng)變率對透明件材料性能的影響和幾何非線性對剛度矩陣的影響，結(jié)果顯示：應(yīng)變率對位移、應(yīng)變影響較大，考慮應(yīng)變率相關(guān)性分析所得結(jié)果比不考慮應(yīng)變率相關(guān)性分析結(jié)果更接近試驗(yàn)結(jié)果；幾何非線性分析所獲得的風(fēng)擋最大法向位移比線性分析得到的值大，幾何非線性對飛機(jī)風(fēng)擋鳥撞動響應(yīng)分析結(jié)果的影響不可忽略，并以此提出了鳥撞擊載荷柔性靶理論。

王昌銀[2]等基于ANASYS/LS-DYNA[3-8]采用Lagrange網(wǎng)格和SPH模擬鳥體進(jìn)行風(fēng)擋抗鳥撞性能對比分析，鳥體采用可壓碎泡沫本構(gòu)模型。計(jì)算表明：SPH分析得出的結(jié)果與傳統(tǒng)的Lagrange網(wǎng)格方法得出的結(jié)果以及試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果基本一致。

本文基于abaqus[9-11]的SPH算法進(jìn)行鳥撞動響應(yīng)分析，分別采用殼單元和體單元模擬風(fēng)擋，對比分析試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果與計(jì)算結(jié)果之間的差異，表明abaqus的SPH算法在鳥撞分析中都是可行的，根據(jù)迭代計(jì)算得到的鳥體及玻璃的本構(gòu)可用于后續(xù)型號研制分析。

1 風(fēng)擋結(jié)構(gòu)簡介

某型飛機(jī)風(fēng)擋為圓弧整體風(fēng)擋，如圖1所示。風(fēng)擋玻璃采用航空YB-DM-3有機(jī)玻璃，骨架材料為鋁合金，骨架通過螺栓與機(jī)身連接。

2 SPH方法

SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)方法的全稱為“光滑粒子流體動力學(xué)”[12]，是Lucy和Gingold等人于1977年提出的一種無網(wǎng)格化拉格朗日算法[13]。SPH方法的基本思想是把材料看成一組流體粒子的集合，每個粒子具有自己的質(zhì)量、速度和能量特征，并描述為一個和流體性質(zhì)相關(guān)的插值點(diǎn)，用規(guī)則的內(nèi)插函數(shù)計(jì)算所有粒子的場函數(shù)，近似描述整個問題的場分布。

圖1 風(fēng)擋結(jié)構(gòu)示意圖

考慮到鳥撞風(fēng)擋動態(tài)響應(yīng)的變形特點(diǎn)，本文使用SPH方法和有限元方法，鳥體的模擬采用SPH方法，用流動的粒子描述鳥體的大變形、破碎及飛散，其它區(qū)域使用有限元 Lagrange方法。SPH粒子與Lagrange單元的接觸采用基于罰函數(shù)的接觸方法。

3 基于abaqus的SPH算法仿真分析

本文采用abaqus軟件建立風(fēng)擋抗鳥撞有限元模型，通過修改關(guān)鍵字定義玻璃的破壞模式，然后通過abaqus計(jì)算求解。

3.1 鳥體模型

對于鳥體模型的形狀，一般有圓柱形鳥體和兩端半圓球的圓柱形鳥體。將鳥體簡化為長徑比為2：1的圓柱體。本文中鳥的密度為970kg/m3，鳥的重量為1.8kg，根據(jù)計(jì)算得到鳥體模型長度為212mm、直徑為106mm。鳥體采用SPH粒子模擬。鳥體模型如圖2所示，鳥體材料參數(shù)見表1。

圖2 鳥體模型

表1 鳥體材料參數(shù)

3.2 風(fēng)擋模型

風(fēng)擋玻璃材料為3號定向有機(jī)玻璃，風(fēng)擋玻璃單元沿厚度方向不少于3層，以模擬風(fēng)擋玻璃內(nèi)外表面受撞擊過程中的拉壓應(yīng)力。鳥撞過程是一個高速的變化過程，一般在幾毫秒內(nèi)完成，在瞬態(tài)撞擊過程中，在撞擊區(qū)附近產(chǎn)生劇烈的應(yīng)力、應(yīng)變的變化，而弧框和邊框連接的區(qū)域還無法響應(yīng)其劇烈的應(yīng)力變化，因此，約束風(fēng)擋玻璃周邊三個方向平動自由度作為邊界條件，以模擬支持。玻璃采用彈塑性材料模擬，風(fēng)擋玻璃材料參數(shù)見表2，風(fēng)擋的殼單元 （S4R）和體單元（C3D8R）模型如圖3所示。

3.3 分析結(jié)果

表2 風(fēng)擋玻璃材料參數(shù)

圖3 風(fēng)擋有限元模型

有限元模型中的接觸算法采用通用接觸算法，鳥撞試驗(yàn)結(jié)果表明，該風(fēng)擋可承受1.8kg鳥體正面撞擊不發(fā)生破壞的臨界速度為450km/h。因此，在仿真分析時，計(jì)算分析了鳥體以450km/h正面撞擊的情況，取風(fēng)擋對稱線中點(diǎn)為被撞擊中心點(diǎn)。分析結(jié)果中取被撞擊中心點(diǎn)附近的單元應(yīng)力或者節(jié)點(diǎn)位移進(jìn)行對比分析，計(jì)算得出的被撞擊點(diǎn)處應(yīng)力、位移、應(yīng)變-時間曲線以及動能-時間曲線見圖4。

圖4 兩種風(fēng)擋單元模型下應(yīng)力、位移、應(yīng)變、動能-時間曲線

3.4 分析與試驗(yàn)結(jié)果對比

圖4（a）給出了兩種風(fēng)擋模型分別采用殼單元和體單元時的被撞擊點(diǎn)處應(yīng)力數(shù)值計(jì)算結(jié)果，比較圖中3條曲線，可以看出，兩種模型的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果趨勢一致，體單元模型得到的應(yīng)力峰值比殼單元應(yīng)力更大，體單元模型應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測量結(jié)果吻合的更好，兩種模型的應(yīng)力峰值比試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)的更早。

圖4（b）給出了被撞擊點(diǎn)處位移數(shù)值計(jì)算結(jié)果，并結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比。可以看出三條數(shù)值曲線的變化趨勢比較一致，殼單元模型計(jì)算結(jié)果更接近試驗(yàn)結(jié)果。圖4（c）給出了被撞擊點(diǎn)處應(yīng)變數(shù)值計(jì)算結(jié)果，可以看出兩種計(jì)算結(jié)果趨勢一致，殼單元應(yīng)變計(jì)算結(jié)果更大，體單元計(jì)算結(jié)果小。

兩種模型中鳥體的速度、質(zhì)量和密度一致，但由于風(fēng)擋由不同種類單元建模，導(dǎo)致在撞擊過程中鳥體損失的能量不同，如圖4（d）和4（e）所示的撞擊過程中動能和塑性耗散隨時間的變化曲線，撞擊瞬間兩種模型的動能均為14091J，撞擊過程中殼單元和體單元吸收的能量分別為：2191J和2681J?？梢姎卧M的風(fēng)擋模型剛度更弱，耗散了更多的能量。

兩種風(fēng)擋模型計(jì)算得到的應(yīng)力、位移結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比見表3，由表3可以看出，兩種模型仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)測試結(jié)果吻合較好，從應(yīng)力和位移峰值結(jié)果來看，殼單元模型的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測量結(jié)果更加接近，表明在鳥撞分析中，使用殼單元、體單元模擬風(fēng)擋進(jìn)行鳥撞分析都是可行的。

表3 計(jì)算結(jié)果對比

4 結(jié)論

通過鳥撞性能仿真對比分析表明：

1）基于abaqus的SPH算法進(jìn)行鳥撞動響應(yīng)分析是可行的；

2）仿真分析中采用殼單元和體單元模擬風(fēng)擋得到的分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果趨勢是一致的；

3）殼單元模擬風(fēng)擋得到的計(jì)算結(jié)果更加接近試驗(yàn)測量結(jié)果且單元規(guī)模較小，在分析過程中可以有效減少求解時間；

4）通過試驗(yàn)結(jié)果迭代分析得到的玻璃以及鳥體的本構(gòu)模型可以用于后續(xù)型號設(shè)計(jì)。