仿真APP应用案例——鸟撞机翼前缘分析

鸟撞问题是指鸟类与飞行中的人造飞行器(如飞机)、高速运行的列车、汽车等发生碰撞，造成伤害的事件。鸟撞问题对航空安全构成严重威胁，每年在全球范围内造成大量经济损失和人员伤亡。

机翼作为飞机产生升力的关键部件，一旦遭受鸟撞，可能会导致机翼前缘的蒙皮出现破损、撕裂，或损坏襟翼的传动装置，进而影响整机的空气动力学性能。严重时，发动机将会熄火、停转，飞机瞬间失去动力，后果不堪设想。

为了解决鸟撞机翼造成的破坏，目前主要有两种防护策略:

• 一是驱鸟，常见的方法包括空气炮、录音驱鸟、猎杀、豢养猛禽、仿生航模驱鸟等。这些方法通过制造噪音、模拟天敌等方式，试图让鸟类远离机场和飞机飞行路径。虽然主动驱鸟在很大程度上减少了鸟撞飞机事故的发生，但由于鸟类活动的复杂性和不确定性，百密一疏，仍不能从根本上解决问题。

• 二是对飞机本身进行 “抗鸟撞” 设计。国际上在抗鸟撞飞机设计上通常采用两种理念。一种是 “以硬碰硬”，通过改善飞机材料，提升其强度来应对鸟撞产生的巨大冲击力。然而，这种做法对材料的要求极高，既要重量轻又要强度高，这受到材料技术及成本的限制，难以广泛应用。另一种是采用吸能材料，如同海绵吸水一般，机体材料会吸附冲击力，保证飞机结构不受损失。这种做法目前在汽车上应用较为普遍，但在飞机上的研发和应用较少，普及仍面临诸多难题。

相比于传统的试验研究，数值模拟技术具有显著的优势。传统的试验需要准备大量的设备、材料，进行多次实际测试，整个过程耗时较长，且成本高昂。而通过仿真，工程师可以在计算机软件中快速搭建模型，调整各种参数，短时间内就能得到不同工况下的模拟结果。此外，仿真得到的数据全面。它可以详细地展示鸟撞过程中机翼各个部位的应力、应变情况，鸟体的飞溅轨迹等，这些数据在实际试验中很难全面获取。

以下案例在Simdroid-MPM中基于点面接触算法实现物质点法与有限元(壳单元)法耦合计算功能，成功解决了鸟撞仿真中涉及的薄壁结构大变形与失效、鸟体飞溅等难点问题;通过调整鸟体的尺寸、密度以及鸟体撞击机翼前缘的位置、角度、速度和机翼前缘的材料等参数，分析不同工况下鸟撞机翼前缘过程中机翼前缘的破坏情况。

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