某型民机风挡结构抗鸟撞性能分析

金日浩

【摘 要】运用LS-DYNA软件的显式中心差分法求解器进行了大规模数值计算，考察了风挡结构抗鸟撞特性，数值分析结果对于易受鸟撞的部位有一定的工程价值，为结构的鸟撞地面模型试验验证提供有力技术支持。

【关键词】鸟撞；风挡；有限元分析

0 引言

飞机在飞行运营中会受到外部环境的种种威胁，其中在运营中由鸟撞引起的问题长期以来受到研究人员的关注。在CCAR-25中，对于风挡的抗鸟撞性能提出了明确的要求：风挡结构在受到1.8公斤重的鸟的撞击后能够完成飞行。飞机与鸟沿着飞机飞行航迹的相对速度取海平面VC或2450米（8000英尺）0.85VC，两者中的较严重者[1]。

本文针对某型民机的风挡结构，运用有限元分析对风挡结构的抗鸟撞性能进行评估。

1 数值计算模型

1.1 鸟体模型

在鸟撞模拟中，通常采用中间为圆柱体，两端为半球体的胶囊型结构来模拟鸟体形状，鸟体密度为为0.9～0.95g/cm3，鸟体质量为1.81kg，速度为125m/s，具体尺寸见图1。

由于鸟体在撞击过程中变形极大，会出现鸟体四溅的状况。为了避免数值计算困难，采用SPH粒子技术来建立鸟体模型，粒子数为35808个。采用带失效应变的弹塑性流体动力学本构模型模拟鸟体材料，具体参数见文献[2]。

1.2 风挡模型

在大型问题的数值模拟计算中，一般采用壳单元来模拟结构。选用壳单元可以有效的降低求解的规模，在保证计算精度的前提下节省计算时间。

在文献[3]中考察了不同的壳单元尺度对于有限元计算精度的影响。本文采用的壳单元尺寸为5mm。

本文计算的风挡结构包括：机头蒙皮、风挡玻璃、风挡骨架及顶部纵向加强结构等。风挡玻璃采用3+2的结构形式，总厚度为28.5mm。

风挡有限元模型中除风挡玻璃用体单元建模外，其它构件（如蒙皮等）均采用壳单元建模。壳单元网格大小为5mm，体单元在长度和宽度方向的尺寸大小为6mm，厚度方向的尺寸大小与结构的实际厚度有关，共计壳单元844139个，体单元269208个。

风挡玻璃采用选用弹脆性力学模型来描述玻璃的本构关系，失效应变为0.1%，屈服应力为68MPa。

铝合金结构采用Johnson -Cook动力学本构模型，具体参数见文献[3]。

1.3 边界条件

结构边界条件设置包括：风挡结构的位移约束设置，构件间可能接触条件的设置等。按照边界约束偏强的理念对风挡结构的框架采用三个方向的位移和转角约束设置鸟体与结构间采用侵蚀点面接触，模拟鸟体侵蚀穿透。对于相互之间存在接触的各构件之间采用自动面面接触，模拟可能存在的面面接触。铆钉采用了LS-DYNA软件中提供的tiebreak型节点断开强度模型，该模型结合了铆钉的拉伸与剪切。

其中NFLF为拉伸断裂强度，SFLF為剪切断裂强度，NEN、MEN为模型指数；fn与fs分别表示两“钉扎”节点间的拉力与剪力。在本文的有限元数值模拟中铆钉的直径4.75mm。拉伸强度NFLF按铆钉名义面积乘以标称材料强度估计，取7974.2N；同理，剪切强度SFLF取3987.1N；NEN、MEN取常用值2。

2 风挡鸟撞计算

2.1 撞击位置1

选取左侧风挡的左上角为撞击点。

鸟体在撞击5ms后，其动能由初始时刻的14062J降至5056.5J并保持不变。在撞击发生后，右侧风挡玻璃的上角处外层玻璃发生破坏变形，并影响内层的玻璃。在受撞击处的无机玻璃完全碎裂。内层玻璃产生一定的变形但未破坏。周边的骨架产生一定的塑性变形但未破坏。

2.2 撞击位置2

选取左侧风挡玻璃中央处为撞击点。

鸟体在撞击6ms后，其动能由初始时刻的14062J降至5729.2J。在撞击发生后，外层玻璃首先发生变形破坏，并影响内层的玻璃。无机玻璃在撞击中龟裂，单元达到失效应变后删除。由于风挡结构有一定的倾角，鸟体在撞击过程中沿着风挡结构向上滑动，随后影响到顶部蒙皮及风挡骨架，支撑结构产生一定的塑性变形但未破坏。

3 小结

本文通过SPH鸟体对风挡结构的抗鸟撞数值仿真分析，对于风挡结构而言，在1.8kg、125m/s的鸟体撞击能量作用下，撞击位置在风挡玻璃时，外层玻璃破坏而另外几层玻璃发生变形但未破坏，表明结构具有良好的抗鸟撞性能。

【参考文献】

[1]CCAR-25AA-R3运输类飞机适航标准[S].中国民用航空局，2001.

[2]费思聪，孙秦.铝合金的J-C失效参数标定与仿真分析[J].计算机仿真.2013，30（9）：46-50.

[3]费思聪.飞机机/尾翼前缘结构抗鸟撞特性数值模拟技术研究[D].西北工业大学硕士学位论文，2013.

[责任编辑：朱丽娜]endprint