王小黨 鎮(zhèn)璐娜

摘要：針對航空發(fā)動機風扇葉片的抗飛鳥撞擊設計需求，建立了鈦合金平板模擬葉片受模擬鳥撞擊的有限元模型，分析了不同撞擊角度下葉片的動態(tài)響應特征變化規(guī)律。

關鍵詞：風扇葉片;不同角度;鳥撞響應;數(shù)值模擬

0 引言

航空發(fā)動機風扇葉片在工作中非常容易受到飛鳥撞擊而導致葉片受損，直接危害飛行器的安全運行[1]，而真實的鳥撞發(fā)動機試驗費用十分昂貴[2]，因此，在試驗前采用數(shù)值模擬方式，對葉片鳥撞響應進行多種工況的分析和預估具有重要意義。鳥撞擊葉片時，鳥體和彎扭葉片間的相對作用位置隨發(fā)動機轉速和撞擊速度變化而變化，可以將其簡化為葉片前緣以不同角度受鳥體撞擊和切割的工況。本文建立了平板葉片受不同角度鳥撞擊的有限元模型，分析了不同的鳥撞擊工況下葉片的動態(tài)響應變化規(guī)律，為葉片的抗鳥撞擊分析提供依據(jù)。

1 平板模擬葉片鳥撞建模

在瞬態(tài)動力學分析軟件LS-DYNA中，建立鳥撞TC4鈦合金平板有限元模型。模擬葉片在夾持端加厚，以防止在葉片根部產(chǎn)生過大的集中應力，撞擊段為矩形平板，長300 mm、寬100 mm，夾持段采用固定支架約束，平板采用六面體網(wǎng)格劃分，撞擊區(qū)域適當加密，平板力學性能采用文獻[3]中的雙線性塑性模型;模擬鳥采用長徑比為2、直徑40 mm的圓柱幾何形狀，采用SPH方法建立，鳥體力學性能參數(shù)采用文獻[3]中彈塑性水動力本構模型與多項式狀態(tài)方程描述。變化平板傾斜角度以模擬不同的撞擊角度，共設計7組撞擊角度，角度為20°～90°，鳥撞平板有限元模型如圖1所示。

2 模擬鳥撞平板葉片過程

以45°撞擊為例，鳥撞平板葉片的過程如圖2所示。

0.06 ms時，鳥體接觸平板前緣，撞擊導致葉片前緣開始產(chǎn)生變形，鳥體被葉片前緣切割成兩部分;0.6 ms時，鳥體因撞擊損耗過半，傳遞給平板的能量導致葉片前緣變形達到最大，同時應力波使葉片前緣發(fā)生波浪形振動，進而在振動節(jié)線位置產(chǎn)生較大的應力;1 ms以后，鳥撞擊過程結束，葉片進入持續(xù)振動狀態(tài)，在本身阻尼作用下逐漸停止，葉片前緣保持一定殘余變形;50 ms時，葉片振動基本停止，葉片前緣保持一定殘余變形。

3 不同角度鳥撞葉片響應規(guī)律分析

3.1? ? 葉片的能量變化

平板模擬葉片勢能增量隨鳥體不同入射角度變化情況如圖3所示。由圖3可知，葉片總體勢能變化隨鳥體入射角度變化的曲線呈開口向下拋物線形狀，在鳥體入射角度為50°左右時，葉片的勢能增量最大;當鳥體呈小角度或大角度入射時，葉片勢能增量變小。

3.2? ? 葉片前緣變形變化

平板模擬葉片的前緣最大變形隨鳥體不同入射角度變化情況如圖4所示。由圖4可知，與葉片勢能變化趨勢類似，葉片前緣最大變形隨鳥體入射角度變化的曲線同樣呈開口向下拋物線形狀，在入射角度為50°～55°時，前緣變形最大，在入射角度很大或很小時，葉片前緣變形變小，這是因為當鳥體大角度或小角度入射時，鳥體會因葉片前緣的幾何變化而從前緣外側或內側滑動，使實際作用在前緣的鳥體質量減輕。

3.3? ? 葉片最大應力變化

平板模擬葉片的最大應力隨不同鳥體入射角度變化情況如圖5所示。由圖5可知，葉片最大應力與鳥體入射角度沒有特別明顯的關系，但從圖中可見，全部撞擊角度的葉片都進入了屈服狀態(tài)，說明葉片受撞擊部位或整體均可能出現(xiàn)局部殘余變形和總體彎曲變形。

3.4? ? 葉片最大塑性應變變化

平板模擬葉片的最大塑性應變隨鳥體不同入射角度變化情況如圖6所示。由圖6可知，葉片最大塑性應變隨鳥體入射角度變化的趨勢為入射角度越大，最大塑性應變越小，這是因為葉片的最大塑性應變一般發(fā)生在前緣，當小角度撞擊時，葉片前緣直接受鳥體長時間持續(xù)沖擊，使葉片前緣的塑性應變變化程度較大，同時，鳥體的沖擊使葉片前緣發(fā)生局部彎曲鼓包，塑性應變區(qū)在葉片前緣與主體間，變化程度不及前緣部分劇烈。

4 結語

本文建立了鈦合金平板模擬葉片受模擬鳥撞擊的有限元模型，分析了不同撞擊角度下葉片的動態(tài)響應特征變化規(guī)律：（1）鳥撞葉片會導致葉片前緣的局部變形、受損，葉片吸收鳥撞能量，導致葉片整體變形、受損;（2）葉片前緣損傷程度隨鳥體入射角度變化的曲線呈開口向下拋物線形狀，入射角度為50°～55°時，損傷最大，入射角度為小角度或大角度時，損傷較小;（3）葉片最大塑性應變隨鳥體入射角度變化的趨勢為入射角度越大，最大塑性應變越小。

[參考文獻]

[1] 關玉璞，陳偉，高德平.航空發(fā)動機葉片外物損傷研究現(xiàn)狀[J].航空學報，2007，28（4）：851-857.

[2] 張永飛，賈宗蕓，陳瑋，等.某型渦軸發(fā)動機吞鳥試驗及驗證[J].航空發(fā)動機，2017，43（5）：62-68.

[3] 楊杰.風扇葉片鳥撞擊響應及受損風扇氣動性能分析方法研究[D].南京：南京航空航天大學，2014.

收稿日期：2020-07-06

作者簡介：王小黨（1988—），男，甘肅隴西人，碩士研究生，研究方向：航空發(fā)動機測試，航空發(fā)動機試驗設施管理。