Pamcrash在飛機(jī)鳥撞

分析中的應(yīng)用

隨著航空業(yè)的飛速發(fā)展，飛機(jī)的安全性始終是航空領(lǐng)域最為關(guān)鍵的議題之一。鳥撞飛機(jī)事件作為航空安全領(lǐng)域中不可忽視的威脅，對飛機(jī)的結(jié)構(gòu)完整性和飛行安全構(gòu)成了重大挑戰(zhàn)。據(jù)統(tǒng)計，全球范圍內(nèi)每年都會發(fā)生數(shù)千起鳥撞飛機(jī)事件，其引發(fā)的后果從輕微的機(jī)體表面損傷到嚴(yán)重的飛行事故不等，不僅危及機(jī)上人員的生命安全，還會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，研究鳥撞現(xiàn)象、評估其對飛機(jī)的影響、并優(yōu)化設(shè)計以減少鳥撞風(fēng)險，已成為航空工程領(lǐng)域中的一個重要課題。

圖1

飛機(jī)鳥撞

國產(chǎn)大飛機(jī)C919作為中國航空工業(yè)的重要里程碑，在抗鳥撞性能方面采取了多項(xiàng)措施和進(jìn)行了嚴(yán)格的測試，以確保飛機(jī)的安全性和可靠性。為了深入掌握鳥撞對飛機(jī)的影響機(jī)制，提高國產(chǎn)大飛機(jī)在鳥撞沖擊等極端場景下的安全性，商飛運(yùn)用 Pamcrash[1]等軟件，精確模擬飛機(jī)各部件在多種飛行姿態(tài)下承受鳥撞等多工況載荷時的應(yīng)力應(yīng)變分布，據(jù)此開展機(jī)體抗鳥撞新材料、新結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和工程應(yīng)用，提升結(jié)構(gòu)抗鳥撞性能。同時借助飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料動力學(xué)性能試驗(yàn)、典型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，完成 Pamcrash動力學(xué)模型構(gòu)建和模型驗(yàn)證，通過驗(yàn)證的動力學(xué)模型大大減少物理試驗(yàn)數(shù)量，極大提高設(shè)計和驗(yàn)證工作效率。

圖2

C919大型客機(jī)

Pamcrash作為一個先進(jìn)的有限元分析（FEA）工具，廣泛應(yīng)用于模擬碰撞、結(jié)構(gòu)損傷和材料失效等復(fù)雜物理現(xiàn)象。在飛機(jī)鳥撞分析中，Pamcrash可以幫助工程師詳細(xì)評估鳥撞對飛機(jī)結(jié)構(gòu)的影響，提供重要的碰撞數(shù)據(jù)和損傷分析結(jié)果，可以幫助航空工程師設(shè)計更具抗撞能力的飛機(jī)，提高飛行安全。下面我們介紹下pamcrash在鳥撞分析中的應(yīng)用。

Pamcrash鳥撞分析

鳥撞分析的核心目的是模擬飛機(jī)與鳥類之間的碰撞，評估鳥撞對飛機(jī)各部件（如機(jī)頭、發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道、機(jī)翼等）的影響。Pamcrash在飛機(jī)鳥撞分析中主要通過以下幾個步驟進(jìn)行工作：

1) 創(chuàng)建鳥體模型

Pamcrash提供的SPH算法用于鳥類的幾何形狀和物理特性建模，將鳥類視為一個三維物體，如圖2所示。鳥類的質(zhì)量、彈性、硬度和破裂特性通?；趯?shí)際數(shù)據(jù)或?qū)嶒?yàn)結(jié)果進(jìn)行設(shè)置。鳥類的材質(zhì)一般被建模為具有一定彈性和塑性的物質(zhì)，以便模擬鳥類在碰撞過程中發(fā)生的變形和破碎。

鳥體的本構(gòu)模型通過 Mornaghan EOS [2]定義。

圖3

鳥類SPH模型

2) 飛機(jī)結(jié)構(gòu)建模

飛機(jī)的結(jié)構(gòu)需要被詳細(xì)地建模，包括飛機(jī)機(jī)頭、發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道、機(jī)翼等部位。Pamcrash支持不同材料模型的使用，能夠模擬飛機(jī)各部分在鳥撞過程中的反應(yīng)，包括金屬的塑性變形、復(fù)合材料的斷裂等。

有限元模型：飛機(jī)的各個部件使用有限元網(wǎng)格（FE Mesh）進(jìn)行離散化，以便對飛機(jī)結(jié)構(gòu)在鳥撞過程中可能產(chǎn)生的變形和應(yīng)力進(jìn)行計算，如圖3所示。

材料行為：Pamcrash能夠模擬不同材料的力學(xué)行為，如彈性、塑性、損傷和斷裂等。這對于分析飛機(jī)結(jié)構(gòu)在鳥撞中受到的損傷非常重要。一般采用 Johnson-Cook 模型模擬金屬材料應(yīng)變率相關(guān)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，在Johnson-Cook 本構(gòu)模型中，流動應(yīng)力σ 可以表示為

圖4

飛機(jī)結(jié)構(gòu)有限元模型

3) 撞擊力和沖擊響應(yīng)：在鳥撞事件中，鳥類的速度和撞擊角度會對碰撞結(jié)果產(chǎn)生重要影響。Pamcrash會模擬鳥類與飛機(jī)結(jié)構(gòu)接觸時的沖擊力，以及結(jié)構(gòu)對這種沖擊的響應(yīng)。

損傷和破壞模式：Pamcrash能夠識別并模擬飛機(jī)各部件的損傷模式，如局部變形、裂紋擴(kuò)展、結(jié)構(gòu)失效等。這為評估鳥撞后的結(jié)構(gòu)完整性和飛行安全提供了關(guān)鍵信息。

圖5

鳥撞過程模擬

4) 結(jié)果分析

通過對碰撞過程的仿真，Pamcrash可以提供詳細(xì)的分析結(jié)果。這些結(jié)果包括：

變形與損傷：如飛機(jī)機(jī)頭的損傷程度、發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道的損傷情況、機(jī)翼的結(jié)構(gòu)變化等。

應(yīng)力和能量傳遞：分析鳥撞過程中的應(yīng)力分布、能量吸收情況及可能的失效模式。這些信息對于評估飛機(jī)是否能繼續(xù)安全飛行至關(guān)重要。

殘余強(qiáng)度：在鳥撞后，Pamcrash能夠預(yù)測飛機(jī)剩余的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，幫助工程師評估飛機(jī)是否需要進(jìn)行緊急維修或進(jìn)行其他安全處理。

圖6

鳥撞后仿真與實(shí)際變形對比

圖7

鳥撞后實(shí)驗(yàn)與仿真復(fù)合材料

失效結(jié)果對比

鳥撞仿真結(jié)果的應(yīng)用

Pamcrash的仿真結(jié)果可以為飛機(jī)設(shè)計和安全評估提供有力支持，具體應(yīng)用包括：

結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化：通過模擬不同類型的鳥撞事件，Pamcrash可以幫助工程師識別飛機(jī)設(shè)計中的薄弱環(huán)節(jié)，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，例如加固飛機(jī)機(jī)頭、加強(qiáng)發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道防護(hù)等，如圖7所示。

圖8

尾翼前緣鳥撞實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果：

（a）原始尾翼前緣；

（b）新型尾翼前緣。

鳥撞防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的制定：航空管理機(jī)構(gòu)根據(jù)Pamcrash的仿真結(jié)果，可以制定飛機(jī)抗鳥撞的標(biāo)準(zhǔn)和測試要求，確保新型飛機(jī)能夠滿足安全要求。

安全性評估與風(fēng)險預(yù)測：基于鳥撞仿真，Pamcrash可以幫助評估飛行器在不同鳥撞情況下的安全性，預(yù)測潛在的飛行風(fēng)險，并為飛行員提供有效的應(yīng)急預(yù)案。

總結(jié)

鳥撞是航空安全中的一個重要問題，對飛機(jī)的結(jié)構(gòu)完整性和飛行安全構(gòu)成潛在威脅。Pamcrash作為一款有限元分析軟件，在國產(chǎn)大飛機(jī)的開發(fā)中，特別是在抗鳥撞設(shè)計、材料模型驗(yàn)證以及結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方面，發(fā)揮了關(guān)鍵作用，為飛機(jī)的安全性能提供了重要的分析和評估工具。隨著技術(shù)的進(jìn)步，Pamcrash在鳥撞分析中的應(yīng)用將更加廣泛和深入，未來將持續(xù)助力國產(chǎn)大飛機(jī)開發(fā)，為我國航空事業(yè)邁向更高峰鋪就堅(jiān)實(shí)之路。