在翼板上使用Abaqus / Explicit进行飞机与鸟群相撞事故模拟

zhengmai0101

概要

飞机与鸟群相撞事故造成飞机毁坏和日程延误，每年耗费美国航空业数百万美元。增加飞机抵抗鸟撞引起的损失的能力是减少这种费用的一部分方法[1]。鸟撞击测试实验是某些飞机部件设计的认证过程的一部分。如果测试的子集可以用计算模拟代替，则可以降低原型测试的所带来的成本。此外，在设计过程中可以把鸟撞击抗性考虑进去，从而增加认证测试成功的可能性。在本技术简报中，我们描述了如何使用Abaqus / Explicit来评估翼板条的鸟撞击性能。

背景

鸟类撞击，或空中动物和人造飞行器之间的碰撞，可以对飞机产生巨大的影响。如[1]所述，世界航空工业承担与鸟撞击引起飞机损坏和飞行计划中断，产生巨大成本; 此外，1999年以前的民用和军用鸟类撞击事件造成200多人丧生。

为了确保安全，对飞机抗鸟类撞击性的评估是飞机认证过程的一部分。飞机制造商提供大量资源来开发可以通过必需认证测试的结构。在图1中，示出了SONACA使用的一些鸟撞测试设备。

Abaqus的关键特点和优点       l  对渐进损伤和延性金属失效建模的功能    l  通用接触算法功能大大简化了涉及与冲击和碎裂相关的高度非线性，可变的的接触条件的模型中的相互作用的定义    l  具有连接器元件的网状独立紧固件实现了规定复杂的材料性能，损坏和失效。

准确的模拟仿真允许设计过程将鸟类撞击作为负载，减少所需的原型测试的数量，并最终增加成功通过认证测试的信心。将模拟的鸟类穿透程度和组件损伤程度与实际测试结果进行比较。

分析方法

机翼缝翼和固定前缘的几何模型在CATIA中创建。固定前缘包括在模型中作为轨道滚轮配件的支撑件，并且如果鸟穿过板条则检查二次损伤。几何模型通过Abaqus关联界面从CATIA转移到Abaqus / CAE。图2显示了完整模型的几何形状。本此分析着眼于处于完全缩回位置的缝翼; 然而，该模型也可以用于研究缝翼处于其他位置的情况。

材料损伤起始标准是延性类型。损伤演变基于有效的塑性位移，并且在达到最大退化时，模型中的单元被删除。

选择线性Us-Up状态方程（EOS）材料模型用于鸟类模型，因为其行为可以被理想化为流体动力学。体积模量起执行不可压缩约束的惩罚参数的作用。同样地，为“鸟”定义塑性和延性损伤。

机翼结构包含40,000个S4壳元件。本案例使用标准的4磅鸟模型，包含3237个一阶简化积分块元素。鸟相对于翼板的取向如图3所示。图4示出了翼固定前缘的后视图。两个图都删除了一些部分，以获得更好地视觉效果。在固定前缘建模约有500个紧固件，每个都有可塑性和失效标准。已经进行了单独的研究以将紧固件模型校准以符合在各种负载条件下的真实紧固件的变化。

鸟以184m /秒的初始速度撞击结构。冲击点选择在前缘的中心，在突出部分表面。速度和入射角是认证测试规范的一部分，可以进行调整。撞击事件的持续时间为0.008秒。

在鸟撞击期间发生的接触是非常复杂的，因为相互作用的表面在撞击过程中不断变化。很难预测在冲击期间在机翼结构的面和边缘之间发生的所有可能的相互作用情况。更加难以预测的是撞击的鸟的碎片可能与机翼结构的内部接触的位置。

Abaqus /Explicit中可用的通用接触算法非常强大，适用于这种情况。使用它，我们只需要定义包含可能发生联系的所有组件的接触域即可。在仿真期间，算法自动检测哪些表面和边缘发生接触。

结果

冲击顺序如图5所示。在鸟撞击位置的完全缩回的前板条和固定的前缘的横截面是可见的。图像顺序分别为从左到右和从上到下。

在图像序列的开始，鸟撞击板条表面，然后将其推到笛形管，并迫使它扁平抵靠板条翼梁。然后鸟撕裂板条表面并且穿透到板条腔中。板条梁然后被推到固定前缘上的D型突起蒙皮上，其然后塌陷到次级翼梁上。此时，板条上的一些铆钉已经失效，并且当鸟撞击到板条腔中时，板条蒙皮继续显著变形。当肋板经历冲击和稍微弯曲时，结构的峰值偏转发生在大约2.75ms处。然后结构反弹，并且失效的组件开始从主结构分离。

虽然存在一些塑性变形，但是在固定前缘的所有部件上或履带支重轮支撑件上没有观察到失效，并且鸟没有穿透主固定前缘。在这项研究中，鸟是用拉格朗日算法建模得到的，在模拟期间表现良好，因为删除机制防止单元变得过度扭曲。注意，当单元被删除时，节点块继续影响结构。这种处理使时间增量大小保持在合理的水平，并确保鸟的总质量和动量守恒。

冲击后等效塑性应变的等值线图如图6所示。原型试验的冲击结构如图7所示。对Abaqus结果的进一步分析表明，前翼梁没有发生二次损伤。

紧固件上的结果可以通过在Abaqus /Viewer中查看所有失效的紧固件进行分析，或者可以分别研究每个紧固件的失效模式。

结论

成功使用Abaqus / Explicit模拟了飞机机翼结构的板条上的鸟类撞击事件。Abaqus / Explicit具有强大的损伤和故障建模能力，紧固件功能和通用接触算法，是进行这种高动态非线性应用的理想工具。虽然本应用着眼于金属材料，但是Abaqus / Explicit还可以进行复合航空航天结构的模拟。最后，通过提供准确的模拟能力，Abaqus / Explicit使得将鸟撞击负载包括在设计过程中得以实现。