發(fā)動機葉片抗鳥撞的仿真研究

張敬宸

摘 要：隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，飛行航班越來越多，飛機的鳥撞事故也隨之增加，飛機發(fā)動機葉片抗鳥撞的研究也顯得越來越重要。本文通過ANSYS/LSDYNA軟件建立了發(fā)動機葉片抗鳥撞的有限元模型，對鳥體撞擊發(fā)動機葉片的過程和動態(tài)力學(xué)響應(yīng)進行了數(shù)值模擬。計算獲得特征點的位移時間曲線，等效應(yīng)力等參數(shù)。計算分析了鳥體撞擊發(fā)動機葉片的根部，中部和尖端時鳥體和發(fā)動機葉片的變形過程和力學(xué)響應(yīng)的影響。

關(guān)鍵詞：發(fā)動機葉片;鳥碰撞;有限元;數(shù)值模擬

中圖分類號：V235.13 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）07-0056-03

1 研究背景和意義

現(xiàn)如今我國經(jīng)濟和科技快速發(fā)展，航空飛機的數(shù)量和班次都在隨之增加，但是飛機鳥撞事故一直在影響人們的飛行安全。據(jù)我國有關(guān)部門統(tǒng)計，在地面安全事故中，鳥類碰撞事故占事故總數(shù)的21%。飛機鳥撞事故是航空發(fā)動機異物損壞事故中最嚴重的一起，造成世界各地重大人員傷亡事故。它嚴重威脅著民航飛行的安全和軍事航空任務(wù)的安全，引起了國際社會的高度重視。當(dāng)鳥體撞擊發(fā)動機葉片時，很容易使發(fā)動機葉片變形，從而導(dǎo)致嚴重后果，例如發(fā)動機推力下降。鳥撞發(fā)動機葉片也可能使發(fā)動機葉片斷裂，一旦發(fā)動機葉片斷裂，極大可能引起發(fā)動機系統(tǒng)或其它系統(tǒng)的損毀。這些后果將影響航空航班的安全，也會帶來一些經(jīng)濟損失。因此，研究飛機發(fā)動機葉片防鳥撞擊的主題是飛機安全的根本保證。工程設(shè)計和研究部門一直非常重視鳥撞發(fā)動機葉片預(yù)防措施的研究。設(shè)計和研究航空發(fā)動機葉片防鳥撞擊保護裝置對于提高航空飛行安全性，減少財產(chǎn)損失，挽救乘客生命具有重要意義。[1]

1.1 研究現(xiàn)狀

在鳥撞發(fā)動機葉片測試研究方面，一些外國航空公司采用了鳥類測試刀片模型，但這種測試既昂貴又危險。中國大多數(shù)研究機構(gòu)使用高壓空氣炮和高速攝影來研究鳥類對飛機的影響。鳥類碰撞的數(shù)值研究歸因于物理學(xué)中高速碰撞的瞬態(tài)動力學(xué)，具有高瞬態(tài)非線性，嚴重斷裂和高應(yīng)變率。[2]在早期對于鳥撞問題所研發(fā)了一些程序。例如，在1980年美國使用的MAGNA程序中，該程序使用解耦方法將鳥類部分與飛機部分分開，這具有一定的局限性。隨著發(fā)動機葉片研究的發(fā)展，鳥撞式發(fā)動機葉片的耦合算法程序已逐步投入使用，具有代表性的MSC.DYTRAN程序和LSDYNA程序。在1978年，Wilbeck就進行了關(guān)于鳥撞發(fā)動機葉片的平板試驗研究，研究了不同的鳥體在不同的速度撞擊剛性平板和柔性平板，并對研究的結(jié)果進行分析計算。隨后，在1978年，巴伯測試了鳥類的沖擊力對剛性目標的影響隨時間的變化。并且根據(jù)靶板對于鳥撞擊的不同結(jié)果提出了3種不同的響應(yīng)模型。它們是理想的剛體模型和局部剛體模型以及局部變形模型。在此之后的學(xué)者均以 Wilbeck和 Barber的試驗結(jié)論為基礎(chǔ)，提出了許多鳥撞發(fā)動機葉片的簡化模型，這些模型為鳥類碰撞問題的解耦算法和研究分析奠定了基礎(chǔ)。

1.2 研究方法和研究內(nèi)容

本文運用LS/DYNA軟件建立了鳥體撞擊發(fā)動機葉片的數(shù)值計算模型。研究了發(fā)動機正常工作狀態(tài)下鳥體撞擊葉片根部、中間部位和頂部時葉片的變形和受力情況，為發(fā)動機葉片抗鳥撞設(shè)計提供相應(yīng)的參考。[3]

2 數(shù)值模型的建立

2.1 網(wǎng)格模型

利用有限元的思想，將物理上所要求解的結(jié)構(gòu)或者連續(xù)體離散為若干個小單元，并且每個小單元之間通過節(jié)點相連接，構(gòu)成了整個連續(xù)體或結(jié)構(gòu)。待求解的場函數(shù)或其導(dǎo)函數(shù)的節(jié)點值及近似差值函數(shù)確定單元中的假設(shè)的近似函數(shù)，該近似函數(shù)分塊代表著待求的未知變量，通過與待求問題等效的方法建立單元節(jié)點方程組，利用計算機求解節(jié)點的未知變量，這樣就將連續(xù)體中的無限自由度問題轉(zhuǎn)化為有限個離散單元的自由度的問題。得到的單元節(jié)點值后，通過假設(shè)的近似函數(shù)確定場函數(shù)，從而得到原問題的解。將已建立的模型導(dǎo)入ANSYS中對其進行前處理，然后對其進行單元劃分。定義接觸類型為點面接觸，建立的模型，如圖1所示。

2.2 材料參數(shù)

在葉片鳥撞擊瞬態(tài)響應(yīng)研究中，把鳥和葉片做出對應(yīng)的網(wǎng)格模型。計算時鳥體取初始速度為180m/s，鳥體材料其密度為950kg/m3，彈性模量為3.6GPa，泊松比為0.45，楊氏模量為0.99GPa，失效應(yīng)變0.55。發(fā)動機轉(zhuǎn)子設(shè)置為剛體，和葉片共節(jié)點連接，轉(zhuǎn)速達到12000r/min，葉片材料為鈦合金，其楊氏模量為115GPa，密度為4480kg/m3，泊松比為0.3，屈服應(yīng)力為1003MPa，塑性硬化模量為1150MPa。[4]

2.3 情景模擬

將鳥體模型在ANSYS軟件里延y軸方向位移，得到三組鳥體撞擊葉片的模型。分別是鳥體撞擊發(fā)動機葉片根部，鳥體撞擊發(fā)動機葉片中部，鳥體撞擊發(fā)動機葉片梢部。分別將三組模型進行計算，通過LSPREPOST軟件將計算出的結(jié)果顯示出來。利用LSPREPOST軟件計算出葉片各點所受到的應(yīng)變力大小及位移大小。

葉片初始轉(zhuǎn)速延順時針方向，大小為，12000轉(zhuǎn)/分鐘。鳥體沖擊速度為180米/秒。將已經(jīng)規(guī)定好速度的發(fā)動機葉片和鳥體帶入LS-DYNA進行計算，計算出鳥撞發(fā)動機葉片根部、中部、梢部三個部位時鳥體和發(fā)動機葉片的變形過程和動態(tài)力學(xué)響應(yīng)，獲得特振點的位移時間曲線，等效應(yīng)力等數(shù)據(jù)。

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

鳥體被葉片切割后，被切割的一部分從發(fā)動機下部穿過，上半部分從葉片的中的間隙中穿過。其中，在鳥體撞擊根部時，大部分鳥體穿過輪盤，可能對后續(xù)的氣壓機進行損傷，撞擊葉片根部過程中葉片變形小，對發(fā)動機葉片的損傷較小。撞擊中部時，鳥體被切割的成度較大，部分鳥體順輪盤穿過，其余部分鳥體被葉片切割，順葉片間隙穿過，對發(fā)動機的影響較小，所撞擊的葉片有所改變。在撞擊葉片梢部時葉片的變形程度最大，發(fā)生了很大的形變，并且所影響的葉片較多，可能會導(dǎo)致發(fā)動機無法正常工作。

鳥體撞擊葉片不同高度（根部、中部、梢部）時，通過LS-DYNA進行計算得出撞擊結(jié)果。分別將三次撞擊過程分為7個不同的時刻進行對比。通過對比得出在鳥體撞擊根部時鳥體撞擊葉片數(shù)為3，對葉片的影響最小。在鳥體撞擊中部時鳥體撞擊葉片數(shù)為3，對葉片有較多的影響。當(dāng)鳥體撞擊梢部時鳥體撞擊葉片數(shù)為4，對葉片的影響最大。選出各個情況中的特振點生成應(yīng)變力隨時間變化的圖像如圖2-圖7所示。

4 結(jié)語

通過本次研究得出：鳥體撞擊的部位對于葉片的變形程度有較大的影響。當(dāng)鳥體撞擊發(fā)動機葉片根部時對于發(fā)動機的影響最小。當(dāng)鳥體撞擊發(fā)動機葉片中部時會對發(fā)動機葉片造成一定的變形。當(dāng)鳥體撞擊發(fā)動機梢部時發(fā)動機葉片位移較大，葉片之間互相影響將會對發(fā)動機葉片造成嚴重變形，發(fā)動機無法正常工作，可能會引起較大的事故。因此，要對發(fā)動機梢部進行相應(yīng)的防護來保護發(fā)動機的正常工作。

參考文獻

[1] 白杰，張聞東，王偉.CFM56-5B型發(fā)動機風(fēng)扇葉片鳥撞有限元仿真[J].航空科學(xué)技術(shù)，2014（08）：48-53.

[2] 蔣向華，王延榮.采用流固耦合方法的整級葉片鳥撞擊數(shù)值模擬[J].航空動力學(xué)報.2008，23（02）：299-304.

[3] 劉軍，徐龍紅.某發(fā)動機一級壓氣機葉片抗鳥撞數(shù)值模擬[J].強度與環(huán)境，2012（05）：38-44.

[4] 陳偉，關(guān)玉璞，高德平.發(fā)動機葉片鳥撞擊瞬態(tài)響應(yīng)的數(shù)值模擬[J].航空學(xué)報，2003，24（06）：531-533.