基于SPH算法的襟翼鸟撞分析研究

施萌　孔令勇

【摘 要】以某型飞机后缘内襟翼为研究对象，利用有限元软件PAM-CRASH，开展了飞机结构的鸟撞仿真分析研究。分析过程考虑了材料的非线性和结构的大变形，并采用SPH（Smoothed Partical Hydrodynamics）方法模拟高速撞击下的鸟体。利用有限元分析得到不同速度、飞机迎角、襟翼卡位和撞击位置等情形下的后缘内襟翼损伤情况及程度对比，进而得到在鸟撞分析过程中，各因素对于襟翼鸟撞结果的影响。研究结论对飞机结构的抗鸟撞研究有一定的参考价值。

【关键词】鸟撞；襟翼；SPH算法

中图分类号： V216.2 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）14-0033-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.14.014

Bird impact analysis of wing inner flap based on SPH method

SHI Meng KONG Ling-yong

（Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 201210，China）

【Abstract】Software PAM-CRASH which is based on explicit integration algorithm was used to study bird impact on wing inner flap structure. Nonlinear of materials and big deformation of structure was taken in consideration. Discreet model was used to simulate the bird at high speeds by SPH method. By observing displacement of some points on different components， it analyzed the procedure of bird impact and concluded the function of wing inner flap structure in bird impact design. It may provide some references to the study of bird impact of large aircraft in our country.

【Key words】Bird impact； Flap； SPH method

0 引言

飞机结构鸟撞事件是危害飞机飞行安全的重要问题，因此越来越多的被人们所重视。飞机飞行阶段遭受的鸟体撞击一般发生在飞机的迎风面，因此机头、机翼等结构都是容易发生鸟撞的部位[1-3]。后缘襟翼作为飞机鸟撞的敏感区域，对其进行鸟撞分析研究对于全机结构鸟撞安全至关重要。本文拟采用后缘内襟翼模型，综合考虑速度、迎角、卡位、撞击位置等因素，使用有限元分析软件PAM-CRASH来分析飞机结构在不同情形下抗鸟撞的能力。

现阶段鸟撞有限元分析方法的研究要点包括：复杂结构的建模技术、鸟体本构关系的确定以及接触和冲击的数值计算方法研究。从高速摄像结果可以看出，在高速撞击下，鸟体表现出流体的特性，破碎成很小的鸟体碎片呈流体状四处飞溅，说明数值模拟鸟体时应选流体材料模型[4]。

1 计算模型

1.1 结构及鸟体模型

如图1和图2所示，本文分析研究的是某型飞机机翼后缘襟翼结构。模型中，内襟翼采用蒙皮、肋、长桁和梁的结构布置方案，其中内襟翼蒙皮、前后梁及其带板均采用复合材料，盒段壁板则采用了层压板和蜂窝夹芯的整体壁板。有限元模型在内襟翼内测的滑轨和支摇臂位置进行固支，以模拟与机体的连接，如图所示。

如图4所示，鸟体几何模型为两端半球状、长径比为2：1的圆柱体，质量为1.8kg，密度为900kg/m3，因此确定两端球体的半径为0.058m，长0.232m。SPH模型是通过内部转换器由六面体单元转换生成。

1.2 工况

为了考虑速度、迎角、卡位、撞击位置等因素对襟翼结构损伤的影响，这里选取四个典型的撞击位置，分别为肋中间、肋与后梁连接处、盒段腹板中央和后梁中间，如图5所示。鸟体撞击速度选取am/s、bm/s、cm/s，飞机迎角选取三种情形d°、e°、f°，襟翼卡位选一较大值g°。这里假设以上所设置的工况情形下鸟体均能撞击到所选位置。

2 SPH算法

SPH方法（Smoothed Particle Hydrodynamics）的核心是一種插值技术。每一个粒子与其相距设定距离范围内的所有其他粒子发生相互作用。它们间的相互作用是由未知函数来衡量的，设定距离为光滑长度的两倍。

鸟体本构模型采用Murnaghan状态方程[5]。此模型中状态方程为

式中：p0和p为初始和现时压强；ρ0和ρ为初始和现时密度；B为体积弹性模量。

3 计算结果

3.1 撞击过程

各工况的计算结果是相似的，以撞击速度bm/s、飞机迎角e°、撞击位置3的鸟体的撞击过程为例进行介绍，详见图4：鸟体首先与下壁板蒙皮发生撞击使之产生损伤，然后向内挤压使复材肋产生损伤，没有破坏，相邻位置的蜂窝发生单元删除。撞击过程中结构最大损伤点出现在下壁板蒙皮对应的撞击区域，最后鸟体沿着后缘蒙皮滑出。

3.2 鸟撞结果分析

以撞击速度bm/s、飞机迎角e°、撞击位置3的鸟体的撞击过程为例，说明如下：

从图7中可以看出，计算的最后时刻系统的动能并未完全耗散，动能的耗散主要发生在撞击之后的5ms内，占总耗散动能的35%左右，当然这与初始速度密切相关。

该工况下，结构损伤情况见图8-图9。结构损伤最大值发生在后梁腹板处。

3.3 不同工况下鸟体的撞击结果对比分析

这里着重关注下内襟翼前后梁、肋和蒙皮上的结构最大损伤，图10、图11、图12为飞机迎角分别为d°、e°、f°情形下对应不同速度和不同撞击位置下的结构损伤最大值对比。图13为撞击位置3对应的不同飞机迎角及撞击速度情形下结构损伤最大值对比图。

内襟翼的主要支撑件前后梁发生损伤，未发生结构破坏。本文共分析了36个工况，其中25个工况的最大损伤出现在下壁板蒙皮上，7个工况的出现在后缘辅助梁腹板上，其余出现在后梁腹板上。当飞机迎角、襟翼卡位及鸟体撞击速度一致时，撞击点在位置4时结构损伤更为明显。

3.4 沙漏现象

使用单点积分的有限元分析中，显示积分算法因大变形、单元畸变等原因可能会出现沙漏现象，观察计算结果中各部件的沙漏现象。PAM-CRASH计算中采用了ISHG沙漏控制方法，如图14所示，沙漏能占内能的7%左右，计算结果证明是有效的。

4 结论

经过有限元分析，得到了后缘内襟翼结构的抗鸟撞性能，得出以下结论：

（1）本襟翼结构主要通过蒙皮、辅助梁、肋等结构吸能，达到缓冲效果，以确保襟翼前后梁等主要承力结构不发生破坏。

（2）鸟体速度大小与系统初始输入有关系，速度越大，初始动能就越大，在撞击位置、飞机迎角、襟翼卡位一致的情况下，鸟体速度越大，飞机结构遭受的损伤也就越大。

（3）在撞击位置、鸟体速度、襟翼卡位一致的情形下，飞机迎角越大，垂直于襟翼的速度分量越大，飞机结构遭受的损伤也就越大。

（4）通过对比观察系统的能量变化曲线和结构损伤云图，可以得到分析整个结构鸟撞的损伤失效过程，从而明确襟翼的各个部件在抗鸟撞设计中的作用。

【参考文献】

[1]李卫东. 中国民航飞机鸟击事件统计分析与研究. 西北工业大学学报，2005.

[2]张永康，李玉龙，汪海青.典型梁-缘结构鸟撞破坏的有限元分析.爆炸与冲击，2008，28（3）：236-242.

[3]赵楠，薛璞.机翼前缘结构抗鸟撞分析研究.科学技术与工程，2010，10（8）：1671-1815.

[4]劉军，李玉龙，郭伟国，石霄鹏.鸟体本构模型参数反演：鸟撞平板试验研究.航空学报，2011，32（5）：802-811.

[5]Raibert M H.Dynamic stability and resonance in a legged hopping machine[A].Conference on Theory and Practice of Robots and Manipulators[C].1983：352-367.