基于多介质耦合作用的鸟撞数值模拟方法

2019-11-16姜大成胡文刚王金亮

电子技术与软件工程 2019年20期

文/姜大成胡文刚王金亮

世界上有记载的第一起鸟撞事故发生于1912年，飞行员Carl Rogers驾驶的飞机在飞行表演中与海鸥相撞，造成操纵杆控制线断裂，导致机毁人亡。二战后，军用飞机在战争中的突出表现引起了各国对飞机发展的重视，无论是军用飞机还是民用飞机，其数量和型号都有极大的增长，导致鸟撞事故增加，飞机鸟撞问题引起了人们的注意，从而开展了鸟撞方面的相关研究。从20世纪50年代开始，飞机研制体系中就已经加入了鸟撞模拟试验的要求。在60年代期间，飞机大规模的使用使鸟撞问题凸显，仅1976-1980年的欧洲，有记录的鸟撞事故就多大7608次；美国在1983-1987年间记录的鸟撞事故将近16000次；俄罗斯适航部门每年统计的鸟撞事故多达1500次。

飞机在低空进行飞行时，鸟就有可能撞于飞机迎风面、凸出部位，从国内外鸟撞事件的统计数据看，发生鸟撞的部位有发动机、进气道（包括唇口）、散热器，这些部位受撞击的事故占总事故的大约48.2%；飞机的风挡受撞击以后由于直接威胁到飞行员的安全而最为危险，这个部位发生撞击的比例大约14.5%；其他较易发生鸟撞的部位依次为机翼、尾翼、襟翼大约为19.5%；机头部位（包括雷达罩、空速管等）发生撞击的比例大约12.3%；其他部位（如减速板、起落架、外挂物等）发生撞击的比例大约占15.5%，这些部位分布比较大，但撞击对飞机的影响相对较小。

综上，雷达罩结构作为直升机机头的凸出部位，是大概率发生鸟撞部位，因此需重点关注抗鸟撞设计，但鸟撞试验费用高昂，周期长，需要通过使用仿真分析结合试验的方法来实现抗鸟撞设计。国内外目前主要关注鸟体与结构之间的冲击耦合效应，对鸟体在空气介质作用下，对结构冲击影响的研究较少，本文介绍了一种多介质耦合作用的鸟撞分析算法。

1 算法介绍

本文主要基于拉格朗日-欧拉耦合算法，引入了空气耦合鸟体和雷达罩结构的作用关系，采用多介质耦合关系来模拟鸟体在有空气环境下冲击雷达罩结构，完成分析计算。

拉格朗日求解器主要用于对结构的分析及固体材料的分析。DYTRAN主要采用有限元素法，有限元素法主要分为几个步骤：

（1）结构离散化，把结构或连续介质分割为一定数量的单元；

（2）将单元的位移函数近似为多项式方程，从而将差分模式转换为求解单元的节点位移；

（3）通过方程平衡条件求解单元的刚度矩阵和载荷向量；

（4）集合单元方程得到系统的总平衡方程。进行有限元计算；

（5）更新刚度矩阵方程，将参考坐标系建立在当前构型基础上。

欧拉法计算的是材料在体积恒定元素中的运动，在空间域的离散上采用控制容积法，在时间域的离散上采用时间积分法，即根据初始时刻的物理变量的已知值，计算一个经过微小时间段以后的值，在空间离散域上，把每一个单元作为一个封闭体积，从而把微分方程组转化为线性代数方程组。

拉格朗日-欧拉耦合法的目的是使欧拉网格与拉格朗日网格之间产生相互作用。两部分域各自的控制方程通过耦合面联立起来成为整个系统的控制方程组，这个方程组的求解是很困难的。所以在时间域上，程序采用数值方法，将整个时间段分解为一系列微小时间步，对两个系统分别迭代求解，求解时不考虑另一方状态的变化。

图1：雷达罩鸟撞有限元仿真模型

2 有限元模型的建立

雷达罩为复合材料夹层结构，主要组成为内外面板和蜂窝夹层，内外面板使用玻璃布，蜂窝夹层为NOMEX纸蜂窝。内外面板厚度0.8mm，外面板铺层45/45/0/0，内面板铺层0/0/45/45，NOMEX纸蜂窝高8mm。鸟体弹性模量2200MPa，材料密度930kg/m3，冲击速度70m/s，空气材料密度1.1848kg/m3，比热比1.4。

图2：鸟撞试验结果图

雷达罩有限元模型见图1，整个雷达罩被六面体欧拉网格包围耦合，区域为图中长方体内部，其中空气介质充满长方体内区域，鸟体位于雷达罩正前方，使用圆柱体模拟，长径比1:2，雷达罩采用二维SHELL元，内外面板与蜂窝夹层采用PATRAN软件中的LAMINITE模块完成铺层，雷达罩失效特性采用Hashin准则定义，鸟撞试验结果见图2。在鸟撞试验中，鸟弹是由碎肉包裹制作的，在冲击过程中呈流体性质，因此在仿真计算中，鸟体使用欧拉流体本构模拟。

3 计算与试验结果对比

计算与试验结果对比见图3，由于鸟体在冲击雷达罩过程中，结构主要承受压变形，因此对计算与试验值的对比主要考核压应变变形。试验最大压应变11353.8με，计算最大压应变10642με，对比误差6%，表明本文介绍的计算方法精度较好。鸟体在冲击雷达罩时出现多个载荷峰值，表明鸟体在冲击雷达罩后产生的碎片会继续对雷达罩结构产生冲击，产生持续性作用。

在试验中，结构瞬间达到拉伸应变峰值，而仿真结果在拉伸区存在一定迟滞，这是由于冲击载荷在材料中的传播速度与仿真时在模型网格上传播的速度不同，以及仿真的撞击时间和实际撞击时间有误差，造成应变随时间变化的数值曲线与试验值存在一定误差。

在拉伸区，试件的应变速率对比仿真值较高，但在压缩区，试件的应变速率对比仿真值较低，表明在仿真中当结构在压缩区出现损伤时，材料应变速率会提高，而在实际结构中，应变速率会由于结构出现破坏而降低；对于未出现损伤的拉伸区域，试验值的材料应变较低，但仿真值较高，表明在有限元计算中，材料在弹性阶段的应变速率较低，变形充分且峰值高于试验值。