材料参数对叶片鸟撞动响应影响数值模拟

2010-03-15刘建明蒋向华

航空发动机 2010年5期

刘建明，蒋向华

(北京航空航天大学能源与动力工程学院，北京100191)

1 引言

鸟撞是指鸟类与飞行器等发生碰撞，造成飞行事故的事件。随着航空技术的发展，鸟撞事件呈增加的趋势。鸟撞事故的增多引起了国际上的广泛重视，国际航空联合会已经把鸟害升级为“A”类航空灾难。发动机研制技术发达的国家纷纷开展鸟撞研究。鸟撞研究基本上可分为试验研究和数值模拟2部分[1]。早期的鸟撞研究基本上是通过试验来进行的，随着计算机技术以及有限元数值计算理论的发展，鸟撞研究[越来越多地采用数值模拟方法进行[2]。用数值模拟的结果指导试验和设计，从而节约成本、缩短研制周期。

本文基于鸟撞铝板的试验结果，采用MSC.Dytran软件进行数值模拟计算，以验证所用方法的可行性和准确性；然后计算叶片材料的各个参数对平板叶片鸟撞动响应的影响。

2 试验结果验证

文献[3]进行了鸟体斜撞击铝板试验。其铝板的尺寸为410mm×500mm×10mm，4边固支。按照国军标[4]的要求，鸟体重1.8 kg。鸟体以91.1 m/s的速度以30°角斜撞击铝板中心。试验测量了铝板中心点的法向位移随时间的变化，以及撞击开始1.24 ms后沿板宽度方向（撞击方向）5个测点的位移，如图1所示。

本文采用MSC.Dytran提供的一般耦合（General Coupling）作为流固耦合的计算方法，采用壳单元划分铝板。铝板材料模型为弹塑性材料，各参数见表1。

表1 铝板材料参数

按照国军标的要求，将鸟体简化成长径比为2∶1的两端半球、中间圆柱的实体，半径为57mm，长度为228mm，鸟体的材料参数见表2。

表2 鸟体材料参数

铝板中心点的法向位移随时间变化的测量值和计算值的对比如图2所示；撞击开始1.24 ms后沿板宽度方向(撞击方向)的位移的测量值与计算值的对比如图3所示。

由图2、3可以看出，计算和测量结果的趋势比较一致。由此可以判定，用一般耦合法作为流固耦合方法所建立的鸟撞模型比较符合实际情况，可以用于鸟撞平板叶片的计算分析。

3 叶片材料对鸟撞动响应影响

本文进行鸟体正撞击平板叶片动响应计算，以此来考察叶片材料各个参数对鸟撞动响应的影响。

平板叶片的尺寸为150 mm×200 mm×5 mm，4边固支。叶片材料的静态应变强化效应采用双线性应力-应变模型进行模拟,应力循环效应采用等向强化模型模拟,动态应变率效应采用Cowper-Symonds模型模拟。其硬化方程为

式中：σd为动态应力；σy为静态屈服应力；ε为等效应变率；D、P为表征动态硬化的材料系数，计算时取D=100、P=10。

叶片的材料参数见表3。叶片密度ρ=4430 kg/m3，泊松比μ=0.34。

表3 叶片材料参数MPa

鸟体质量为0.3kg，用长径比为2∶1的圆柱体模拟，半径为29.5 mm，长度为118 mm。材料参数见表4。鸟体以300 m/s的速度正撞击平板中央。

表4 鸟体材料参数

以表3中所示材料数据为基准，分别计算了不同材料参数叶片在遭受鸟体正撞击后，平板中心单元的应力以及中心点的位移随时间的变化情况。

3.1 弹性模量的影响

选取叶片的弹性模量E=112500、56250、28125 MPa进行对比计算。在3种弹性模量下，板中心单元的应力、应力峰值和位移峰值变化情况分别如图4～6所示。从图4～6可以看出，叶片的弹性模量对应力峰值和位移峰值影响较大，应力峰值随弹性模量的增大而增大，而位移峰值随弹性模量的增大而减小。这是因为E越大，平板叶片的抗弯刚度也越大，鸟撞过程作用时间就越短，应力峰值从而越大；抗弯刚度增大也使得相应的挠度减小，即板中间点的位移峰值减小。从图4中还可得到，叶片的弹性模量对冲击峰的作用时间有影响，弹性模量越小，作用时间越长。从图5、6还可看出，弹性模量对鸟撞动响应的影响不是线性的。

3.2 硬化模量的影响

选取叶片硬化模量Eh=14286、7000、1200 MPa进行对比计算。在3种硬化模量下，板中心单元的应力、应力峰值和位移峰值的变化情况如图7所示，从图7中可以看出，硬化模量对应力峰值和冲击峰的作用时间的影响较小，则硬化模量对叶片变形的影响也较小。从图8、9可以看出，硬化模量对鸟撞动响应的影响和弹性模量的影响相似，也不是线性的。

3.3 静态屈服应力的影响

选取叶片的屈服应力为σs=900、600、300MPa进行对比计算。在3种静态屈服应力下，板中心单元的应力、应力峰值和位移峰值的变化情况分别如图10～12所示，从图10中可以看出，静态屈服应力对应力峰值影响较大，其对冲击峰的作用时间的影响与弹性模量正好相反，屈服应力越小，冲击峰的作用时间越短。从图11、12中可以看出，静态屈服应力对应力峰值和位移响应的影响也不是呈线性关系。