鸟撞仿真-守护蓝天的科技护盾！为飞机穿上 “隐形铠甲”

导读：在广袤无垠的蓝天之上，飞机如同银色的巨鸟自由翱翔，为人们的出行与交流带来极大便利。然而一个看似微不足道却极具威胁的隐患时刻潜伏着—— 鸟撞。想象一下，一只飞鸟与高速飞行的飞机迎面相撞，这一碰撞所释放出的能量，足以对飞机造成严重破坏，危及机上人员的生命安全。

2025年8月3日16时05分，西班牙伊比利亚航空的空客 A321NEO XLR 客机执行IB579航班，从马德里巴拉哈斯机场起飞前往巴黎奥利机场。飞机在约 2133 米高度与一只秃鹫相撞，秃鹫首先撞击机鼻雷达整流罩，残骸随后被吸入左侧发动机，扇叶出现明显损伤。机组立即中止爬升并宣布紧急状态，25 分钟后安全降落在巴拉哈斯机场 32L 跑道，乘客经正常舷梯安全撤离，未造成人员受伤。涉事飞机着陆后被移出跑道并停飞接受全面检修。

A321NEO XLR客机机鼻的雷达整流罩被撞碎

近年来，多起鸟撞航空事故的发生，为我们敲响了航空安全的警钟。2024 年 12 月 29 日，韩国济州航空 7C2216 号航班在降落时疑似遭鸟撞，最终酿成惨重悲剧；2024 年 11 月 10 日，海南航空 HU438 航班在起飞阶段右侧发动机遭遇鸟击，机组紧急返航；2023 年 9 月 1 日，西部航空 PN6444 航班起飞后发动机因鸟击受损……

这些事故不仅造成了巨大的人员伤亡和财产损失，也引发了人们对鸟撞问题的高度关注。那么，鸟撞究竟为何会产生如此巨大的破坏力？科学家们又是如何借助先进的仿真技术，为飞机穿上 “隐形铠甲”，有效防范鸟撞风险的呢？接下来，让我们一同揭开鸟撞仿真的神秘面纱。

一、鸟撞事故-航空安全的 “头号杀手”

据国际航空联合会统计，全球每年发生的鸟撞飞机事件多达两万余起，且这一数字随着航空运输业的发展以及机场周边生态环境的变化仍在逐年上升。鸟撞已经被列入 A 级航空灾难，成为威胁航空安全的最危险因素之一。

从物理学的角度来看，鸟撞的破坏力源于产生的巨大冲击力。根据动量定理，撞击力与物体的质量和速度的平方成正比。飞机在飞行过程中速度极快，通常巡航速度可达每小时数百公里甚至更高。以常见的民航客机为例，其起飞速度一般在每小时 200 - 300 公里左右，巡航速度则能达到每小时 800 - 900 公里。而飞鸟虽然质量相对较小，一只普通的麻雀可能仅有 100 克左右，一只鸽子也不过几百克，但当它与高速飞行的飞机相撞时，由于相对速度极大，瞬间产生的冲击力却相当惊人。例如，一只 100 克的麻雀与时速 400 公里的飞机相撞，瞬间冲击力可达两吨，这相当于一辆小汽车的重量！如此强大的冲击力，如同炮弹一般打在飞机上，足以对飞机的结构造成严重破坏。

鸟撞对飞机不同部位的破坏各有特点，且危害程度不一。当鸟撞机头时，机头的雷达罩、风挡玻璃等部位首当其冲。雷达罩是飞机雷达系统的重要保护装置，一旦遭受鸟撞受损，可能导致雷达信号异常，影响飞机的导航和通信功能；风挡玻璃若被撞碎，强大的气流瞬间涌入驾驶舱，会对飞行员的操作造成极大干扰，甚至危及飞行员的生命安全。鸟撞机翼同样危险重重，机翼作为飞机产生升力的关键部件，鸟撞可能导致机翼前缘的蒙皮出现破损、撕裂，破坏机翼的气动外形，进而影响飞机的飞行性能；如果鸟撞损坏了襟翼等控制部件的传动装置，飞机的操纵性将大打折扣。而鸟撞发动机的后果往往最为严重，飞鸟一旦被吸入发动机，发动机高速旋转的叶片在巨大冲击力作用下，可能发生弯曲变形、破损甚至断裂。发动机内部结构精密复杂，任何部件的损坏都可能引发连锁反应，导致发动机熄火、停转，飞机瞬间失去动力。在高空飞行的飞机若突然失去动力，后果不堪设想，极易引发机毁人亡的惨剧。

二、鸟撞仿真-揭秘看不见的碰撞

为了深入了解鸟撞的复杂过程，精准评估其对飞机结构造成的破坏，科学家和工程师们开发出了鸟撞仿真技术。这一技术基于计算机模拟和数值计算方法，能够在虚拟环境中重现鸟撞飞机的瞬间，为研究鸟撞问题提供了强有力的工具。

鸟撞仿真的基本原理是将鸟体和飞机结构离散为一系列微小的单元，然后依据力学基本定律，如牛顿运动定律、动量守恒定律和能量守恒定律等，来描述这些单元在碰撞过程中的运动和相互作用。在鸟撞发生的极短时间内，涉及到多种复杂的物理现象，包括鸟体的大变形、破碎以及飞机结构的弹性变形、塑性变形乃至断裂破坏等。鸟撞仿真需要综合考虑这些因素，通过求解复杂的数学方程，精确模拟出鸟撞过程中各个瞬间鸟体和飞机结构的状态变化。

在鸟撞仿真中，建立准确的鸟体模型和飞机结构模型至关重要。鸟体模型的建立需要考虑鸟体的材料特性，鸟体由血肉、骨骼等多种材料组成，其在撞击过程中的力学行为呈现出复杂的非线性特征。为了更真实地模拟鸟体在撞击时的变形和破碎情况，通常采用多种数值方法，如光滑粒子流体动力学（SPH）方法、有限元方法（FEM）以及两者的耦合方法等。SPH 方法将鸟体离散为一系列具有一定质量和速度的粒子，通过计算粒子间的相互作用力来描述鸟体的运动和变形，特别适合处理鸟体大变形和破碎这类高度非线性问题；有限元方法则将飞机结构划分为众多有限大小的单元，通过求解单元节点的力学方程来分析结构的受力和变形情况，在模拟飞机结构的力学响应方面具有广泛应用。将这两种方法结合使用，能够充分发挥各自的优势，更精确地模拟鸟撞过程中鸟体与飞机结构之间的相互作用。

鸟撞机翼仿真

飞机结构模型的建立则需要对飞机的各个部件，如机身、机翼、发动机等，进行详细的几何建模和材料参数定义。飞机结构通常由多种金属材料和复合材料构成，不同材料的力学性能差异较大。在建模过程中，需要准确输入材料的弹性模量、屈服强度、泊松比等参数，以确保模型能够真实反映飞机结构在鸟撞载荷下的力学行为。同时，对于飞机结构中的一些复杂部件，如发动机内部的风扇叶片、涡轮等，还需要采用精细化的建模技术，考虑其独特的几何形状和结构特点，以提高仿真结果的准确性。

鸟撞航空发动机

三、发动机鸟撞仿真-捍卫动力核心

发动机是飞机的动力源泉，鸟撞发动机可能导致发动机失效，严重威胁飞行安全。对某型航空发动机进行鸟撞仿真，需要对发动机的复杂内部结构进行详细建模，包括风扇叶片、压气机、燃烧室等部件。在仿真过程中，考虑到鸟体被吸入发动机后的运动轨迹和撞击位置的不确定性，通常会设置多种不同的鸟撞工况进行模拟。

假设一只质量为 0.5kg 的飞鸟以 80m/s 的速度撞击发动机风扇叶片，仿真结果揭示了一场惊心动魄的 “内部风暴”。鸟体在接触风扇叶片的瞬间，叶片受到巨大的冲击力，部分叶片发生弯曲变形甚至折断。断裂的叶片碎片在高速旋转的风扇带动下，像高速射出的子弹一样，对发动机内部其他部件造成二次撞击和破坏。这些碎片可能击穿压气机的静子叶片，导致压气机工作异常；还可能进入燃烧室，影响燃烧过程，引发发动机熄火。此外，鸟体在发动机内部的破碎和飞溅，还可能造成发动机气道堵塞，进一步恶化发动机的工作性能。通过对不同鸟撞工况下发动机响应的仿真分析，工程师可以评估发动机在各种鸟撞情况下的安全性和可靠性，进而优化发动机的结构设计和防护措施。例如，可以采用高强度的叶片材料、改进叶片的形状和结构，增强叶片的抗鸟撞能力；在发动机进气口处设置防护装置，减少飞鸟被吸入发动机的可能性。

接下来，笔者阐述了如何运用ANSYS LS-DYNA显式动力学软件，构建高精度的鸟体撞击发动机风扇的仿真模型，实现对撞击过程中结构响应、叶片损伤及发动机动态行为的精准预测。该技术为发动机设计提供了强大的数字化验证工具，显著缩短研发周期，降低测试成本，并深入洞察失效机理，是现代航空工业不可或缺的先进仿真解决方案。

1、ANSYS LS-DYNA复现鸟撞仿真 

我们知道，ANSYS LS-DYNA 作为全球领先的显式动力学仿真软件，为解决这一难题提供了完美方案。它能够在虚拟世界中精确复现鸟撞的物理过程，帮助工程师：  

1）优化设计：在设计阶段评估和改进叶片抗冲击能力。  

2）降低成本：大幅减少物理试验次数，节省巨额经费。  

3）洞察机理：清晰展示撞击过程中的应力传播、塑性变形和失效过程。  

4）加速认证：为物理试验提供充分的数据支撑，提高试验成功率。

ANSYS LS-DYNA为航空发动机鸟撞安全性分析提供了一个经行业验证的、高预测精度的仿真平台。它不仅能够复现物理试验的结果，更能揭示物理试验无法观察的细节，如内部动态响应、瞬时应力状态和失效演变过程

将LS-DYNA仿真融入发动机研发流程，实现了 “设计-仿真-优化” 的闭环，使工程师能够在制造原型件之前就前瞻性地识别并解决潜在风险。这极大地降低了研发的不确定性，加快了产品上市速度，为制造更安全、更可靠的航空发动机提供了坚实的技术保障。

2、仿真关键技术与方法  

（1）先进的材料模型与失效准则  

• 鸟体模型：根据适航标准建立鸟体模型，并定义相应应变率失效准则。    

• 叶片材料：发动机叶片通常由钛合金或复合材料制成。仿真中需采用高精度的弹塑性材料模型，以捕捉材料在高速冲击下的应变率效应行为。    

（2）精细的有限元模型  

发动机转子是一个复杂的旋转系统。仿真模型需要包括：  

• 详细的风扇叶片几何：保留关键的几何特征，如前缘、叶冠等。    

• 轮盘和轴：为整个转子系统提供正确的刚度和质量分布。    

• 预载荷施加：通过隐式-显式顺序求解，首先施加离心力，然后将包含预应力的模型导入显式分析中计算撞击响应，这是获得准确结果的重要步骤。

（3）边界条件与初始状态  

• 初始转速：赋予整个转子系统一个初始角速度，模拟发动机在最大功率状态（如起飞状态）下的工作情形。    

• 鸟体初速度：根据飞机起飞/降落速度设置鸟体的初始撞击速度（通常为 100-200 m/s）。

3、计算结果  

在发动机转速200rad/s，鸟体速度100m/s条件下，碰撞过程中叶片的应力分布云图如下，可见最大应力为1154MPa，大于材料的屈服极限，被撞击的叶片将发生破坏。  

四、ANSYS LS-DYNA碰撞与冲击仿真实战

鸟撞航空发动机与鸟撞机翼仿真过程已经收录到我独家首发仿真秀官网的视频课程《ANSYS LS-DYNA碰撞与冲击仿真实战》，欢迎朋友们订阅。

本课程专注于Workbench LS-dyna的碰撞和分析领域，首先讲解了Workbench LS-dyna软件基础和显式动力学方法的精华，其次介绍了Workbench LS-dyna碰撞和冲击仿真分析的基本流程。针对流程的每一个框图，都进行了详细的介绍，包括模型处理方法、网格划分方法、碰撞和冲击常用材料、接触设置方法、边界条件、接触和连接和后处理。理论讲解完之后，通过汽车整车碰撞、无人机跌落、手机跌落与重启动、子弹侵彻失效、电动汽车电池包挤压、鸟撞飞机发动机、鸟撞机翼结构等几个典型案例，详细实践了前文所介绍的Workbench LS-dyna实战分析流程。通过理论联系实际，让大家对此有更加深刻的认识。请识别下方二维码查看：

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《ANSYS LS-DYNA碰撞与冲击仿真实战》

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1、以下是课程大纲  

第一章 课程概述及软件讲解

第1讲：课程简介

第2讲：软件讲解、显式动力学和分析流程介绍

第二章 显式动力学基本理论

第3讲：质量缩放与时间步长

第4讲：沙漏控制和2.3能量曲线

第三章 仿真流程详解

第5讲：汽车防撞梁撞击

第6讲：几何模型处理讲解

第7讲：材料设置讲解

第8讲：接触设置讲解

第9讲：网格划分讲解

第10讲：载荷和边界条件讲解

第四章 案例实战

第11讲：汽车碰撞--案例简介

第12讲：汽车碰撞--求解设置与结果分析

第13讲：无人机整机跌落--简介

第14讲：无人机整机跌落--模型处理

第15讲：无人机整机跌落--求解设置与后处理

第16讲：手机跌落与重启动--案例简介

第17讲：手机跌落与重启动--仿真设置与计算结果

第18讲：手机跌落与重启动--多次跌落与重启动设置

第19讲：子弹侵彻失效--简介

第20讲：子弹侵彻失效--仿真流程

第21讲： 电动汽车电池包挤压--案例介绍

第22讲：电动汽车电池包挤压--模型设置与后处理

第23讲：鸟撞飞机发动机--案例简介

第24讲：鸟撞飞机发动机--仿真流程

第25讲：鸟撞机翼结构--案例简介

第26讲：鸟撞机翼结构--仿真全流程

来源：仿真秀App