在新机的研制中，根据适航规章要求，机头应进行抗鸟撞设计，而机头结构的抗鸟撞设计一直困扰着飞机工程师，早期飞机的抗鸟撞研究是从试验开始的,随着计算机技术与有限元数值计算理论的发展,鸟撞动响应分析方法的研究日益成熟并得到广泛应用,形成了以鸟撞动响应分析与试验相结合的方法来进行飞机抗鸟撞设计，不但提高了工作效率，缩短了新机的研制周期，又降低了研制成本和风险。
鸟撞是发生在瞬时的高度非线性冲击动力问题，目前求解的分析方法包括解耦法和耦合法，解耦法是通过假定模拟鸟撞载荷的时空变化规律，鸟撞载荷由经验公式求出，将此载荷条件施加在结构上，求解结构的动力响应；耦合法是建立鸟体模型和结构模型，通过两种模型的接触部位的协调条件关联起来，求解出结构和鸟体的动力响应，能够较为真实的模拟鸟撞过程中鸟体与结构间的相互作用，得到了广泛应用。
本文采用耦合解法，应用RADIOSS领先的非线性动力求解技术，对新涡桨飞机机头的顶部壁板结构进行鸟撞分析，根据鸟撞分析结果对初始设计方案中存在的设计缺陷进行了改进设计，提高了机头顶部壁板结构的抗鸟撞性能，为新涡桨飞机机头结构方案选型提供了分析依据。
[url=]1 [/url]顶部壁板结构模型和鸟体模型1.1 鸟体模型目前，采用耦合法进行鸟撞分析时，可选取鸟体模型包括Lagrange模型，Euler模型，ALE模型和SPH模型四种。本文采用SPH模型，SPH是一种无网格算法，是把物理流场用一定速度的集中质量点来描述，每个质量点作为该流场的插值点，问题的解通过这些质点的规则插值函数来得到，守恒方程用质点内力来表达，可以直观的模拟鸟体的抛洒现象。这种鸟体模型适宜处理大变形和大位移问题，且十分容易模拟由多种材料组分（如血、肉、骨骼等）构成的鸟体，且数值模拟计算特别稳定。
鸟体的形状选择两端为圆球的圆柱体，如图1所示。圆柱体的直径D由公式(1)来确定。
（1）
式中：D为圆柱体直径；
m为理想鸟的质量；
ρ为理想鸟材料的平均密度。
图1 鸟体形状 图2 SPH鸟体模型
采用RADIOSS粘性流体材料（hydrodynamics viscous fluid material）/MAT/LAW6模拟流体和气体，本构关系如下：
（2）
其中，C0，C1，C2，C3，C4，C5为材料参数。C1为流体常数体积模量，C0、C2、C3为液体系数，C4、C5为理想气体系数。SPH鸟体粒子模型如图2所示，共计10564个节点，重量为1.8Kg。
[url=]1.2 [/url]顶部壁板结构有限元模型顶部壁板结构初始设计有两种结构布置方案，分别建立有限元细节模型，所有结构件均采用壳单元，用弹簧单元和固连接触方法模拟结构铆钉连接，弹簧单元一端与外框缘（或长桁）建立固连接触，另外一端与蒙皮建立固连接触关系，有限元模型分别见图3、图4。
图3 方案1顶部壁板有限元模型示意图
图4 方案2顶部壁板有限元模型示意图
1.3 接触定义使用RADIOSS里/INTER/TYPE7定义鸟体与结构及结构之间的接触关系，其中type7为通用的点面接触，面为主，点为从。鸟体与结构之间的接触如图5所示，红色节点集为鸟体模型，蓝色组件为顶部壁板；结构自接触如图6所示，红色节点集为从节点，蓝色组件为主面。
图5 鸟体与结构之间的接触示意图 图6 结构之间的自接触示意图
2 顶部壁板结构抗鸟撞分析运用HpyerWorks软件RADIOSS求解器对新涡桨飞机机头顶部壁板结构的两种初始设计方案进行抗鸟撞分析。
2.1 顶部壁板结构方案1抗鸟撞分析2.1.1 方案1鸟体撞击位置 选取顶部壁板结构迎风面大于15°的蒙皮中心和主梁4个危险点部位进行抗鸟撞分析， 4个危险点具体位置如图7所示。鸟体速度为逆航向V＝138.9m/s。
图7 方案1鸟撞位置分布
2.1.2 方案1鸟撞分析结果根据鸟的质量、速度可得，鸟体的初始动能为W=0.5mV2=17364 J。鸟撞击顶部壁板的能量时间历程曲线如图8所示，从图中可以看出，碰撞初始总能量为17364J，对应于鸟体的初始动能，随着鸟体撞击结构后抛洒，鸟体的动能逐渐耗散，转化为天窗骨架结构的势能的增加，鸟撞击结构的时间历程为8ms。
图8 鸟撞击顶部壁板的能量时间历程曲线
鸟撞击位置1时鸟体粒子击穿机身蒙皮，并且顶部壁板第一个框被冲断，约一半鸟体粒子击穿蒙皮进入驾驶舱；鸟撞击位置2时鸟体粒子击穿机身蒙皮，约一小半鸟体粒子击穿蒙皮进入驾驶舱； 鸟撞击位置3时鸟体粒子击穿蒙皮，有很小一部分鸟体粒子击穿蒙皮进入驾驶舱；鸟撞击位置4时鸟体粒子未击穿蒙皮，没有鸟体粒子击穿蒙皮进入驾驶舱。
由以上仿真分析发现，方案1顶部壁板结构不满足适航条款对结构抗鸟撞的要求。 在5ms时刻左右，整个鸟体完全撞击到结构，这时结构的破坏达到最严重，鸟撞位置1～3结构破坏最严重时刻的鸟撞模拟结果如图9。
7ms时刻（位置1） 5ms时刻（位置2） 7ms时刻（位置3）
图9 各个鸟撞位置结构破坏最严重时刻的模拟结果（方案1）
2.2 顶部壁板结构方案2抗鸟撞分析2.2.1 方案2鸟体撞击位置 选取顶部壁板结构迎风面大于15°的蒙皮中心和主梁5个危险点部位进行抗鸟撞分析， 4个危险点具体位置如图10所示。
图10 方案2鸟撞位置分布图
2.2.2 方案2鸟撞分析结果鸟撞击位置1时鸟体粒子击穿机身蒙皮，并且顶部壁板第一个框被冲断，约一半鸟体粒子击穿蒙皮进入驾驶舱；鸟撞击位置2～4时鸟体粒子未击穿蒙皮，鸟体粒子未进入驾驶舱。
由以上仿真分析发现，方案2顶部壁板结构不满足适航条款对结构抗鸟撞的要求。鸟撞位置1结构破坏最严重时刻的模拟结果如图11所示。
4ms时刻 5ms时刻 6ms时刻 7ms时刻
图11 鸟撞位置1结构破坏最严重时刻的模拟结果（方案2）
2.3 方案1与方案2抗鸟撞分析结果比较方案1承受鸟撞载荷时，鸟撞位置1、2、3处结构均失效，有鸟体粒子击穿蒙皮进入驾驶舱，这三个部位初始设计不满足设计要求；鸟撞位置4时鸟体粒子未击穿蒙皮，没有鸟体粒子进入驾驶舱，该部位初始设计满足设计要求。
方案2承受鸟撞载荷时，鸟撞位置1处结构失效，有鸟体粒子击穿蒙皮进入驾驶舱，该部位初始设计不满足设计要求；鸟撞位置2～5时鸟体粒子未击穿蒙皮，鸟体粒子未进入驾驶舱，该部位初始设计满足设计要求。
3 改进后顶部壁板结构抗鸟撞分析根据分析结果，顶部壁板结构初始两个设计方案在承受鸟撞冲击载荷时，均发生严重破坏，且部分鸟体粒子均进入驾驶舱，不能满足结构抗鸟撞要求，考虑到结构承载效率和设计成本，为提高顶部壁板结构抗鸟撞性能，对初始结构进行了以下几方面的改进：
a)将顶部壁板蒙皮材料改为延展率更高的2000系列，前部蒙皮2.5mm，后部蒙皮1.6mm；
b)改变顶部壁板纵向件的布局：
1)顶部壁板在飞机对称面两侧分别布置两根纵梁，其中一根倾斜分布；
2)顶部壁板在飞机对称面两侧分别布置两根纵梁；
3)顶部壁板在飞机对称面两侧分别布置三根纵梁。
经过以上结构改进，顶部壁板有三种设计方案，改进后顶部壁板的三种设计方案如图12。对这三种设计方案再次进行结构抗鸟撞分析。
方案1 方案2 方案3
图12 改进后顶部壁板的三种设计方案示意图
3.1 改进方案结构抗鸟撞分析结构方案改进后采用与§3.1节同样的方法，进行结构抗鸟撞分析，鸟撞位置与初始设计方案相同，分析内容不再赘述。三种改进结构方案在鸟撞过程中结构破坏最严重时刻的模拟结果如图13所示
7ms时刻（位置3） 5ms时刻（位置1） 5ms时刻（位置1）
方案1 方案2 方案3
图13 改进后各方案鸟撞结构破坏最严重时刻的模拟结果
3.2 结构改进后鸟撞结果分析 对比改进后方案一和方案二，在鸟撞位置1、2处，鸟撞结果非常一致，但是在鸟撞位置3处，方案一出现了蒙皮破损，部分鸟体粒子进入了驾驶舱，方案二顶部壁板结构未发生破坏，方案一存在潜在的危险。
对比改进后方案二和方案三，在鸟撞位置1处，方案三壁板骨架框和长桁受到了较为严重的压垮和撕裂破坏，主要原因是天窗骨架整体刚度增大，在撞击时周围骨架吸收的能量变少，而6框位于鸟撞方向的正前方，此时6框承受了更多的能量，从而导致6框破损比方案二严重，方案三潜在危险比方案二更大。
综上对比分析，方案二的结构抗鸟撞性能更为理想。
4 总结本文采用HyperWorks商用软件RADIOSS求解器对新涡桨飞机机头顶部壁板结构选取了多个危险位置进行了初步鸟撞分析，通过分析知机头顶部壁板结构初始设计方案结构选材、结构布置均存在设计缺陷，不能满足结构抗鸟撞要求，根据鸟撞分析结果对初始设计方案中存在的设计缺陷（结构选材、结构布置）进行了改进设计，提高了机头顶部壁板结构的抗鸟撞性能，为新涡桨飞机机头结构方案选型提供了分析依据。
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发表于 2011-9-1 18:46:33
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