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洞察鸟撞过程-运用ANSYS LS-DYNA仿真守护航空安全之翼

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导读:鸟撞是威胁航空安全的主要风险之一,而机翼作为飞机的关键气动面和支持结构,其抗鸟撞能力至关重要。上一篇文章鸟撞仿真-守护蓝天的科技护盾!为飞机穿上 “隐形铠甲”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。

本文详细介绍了如何利用ANSYS LS-DYNA显式动力学软件,建立高保真的鸟撞机翼仿真模型,精确模拟鸟体与机翼前缘、蒙皮、翼梁等结构的复杂相互作用过程。该解决方案能够有效预测结构的损伤、变形及剩余强度,为飞机设计提供至关重要的依据,显著降低物理试验成本与风险,加速产品认证进程。  

一、写在文前

在航空领域,鸟撞(Bird Strike)被公认为一种突发性强、破坏性大的严重航空事故诱因。据国际航空协会统计,全球每年发生数万起鸟撞事件,对飞机的发动机、风挡、机翼前缘等关键部件构成致命威胁。一次高速下的鸟撞,其冲击能量不亚于一枚炮弹,直接关乎数百名乘客的生命安全和数十亿航空资产的价值。  

传统的鸟撞研究严重依赖昂贵的物理试验,不仅成本高昂、周期漫长,且难以捕捉全过程细节、复现极端工况。随着计算机技术和非线性有限元方法的飞速发展,计算机辅助工程(CAE)仿真,特别是显式动力学分析,已成为解决这一极端冲击问题不可或缺的核心工具。其中,ANSYS LS-DYNA作为全球领先的显式动力学仿真软件,以其卓越的计算能力、丰富的材料模型和高效的求解技术,为航空工程师提供了洞察鸟撞过程、优化防护设计的“数字实验室”。  

机翼鸟撞(尤其是对前缘缝翼和翼盒结构)面临着独特的工程难题:  

(1)气动外形完整性: 前缘的凹陷或破损会严重破坏气动性能,导致升力损失和阻力增加。  

(2)结构完整性: 撞击可能导致蒙皮撕裂、翼梁腹板穿孔或桁条断裂,威胁机翼的整体承载能力。  

(3)系统安全性: 机翼内部布满燃油管路、液压系统和飞控作动器,撞击可能损坏这些关键系统,导致二次故障。  

(4)适航合规性: 必须满足 FAA、EASA 等适航条例对结构损伤容限的要求(如 FAR 25.571)。  

二、仿真关键技术与方法  

1、高度精细化的有限元模型  

机翼结构复杂,建模需兼顾计算效率与精度。  

(1)几何细节:包括前缘缝翼、蒙皮、桁条、翼梁(腹板、凸缘)、肋骨等关键承力部件。  

(2)网格划分:采用显式积分适用的减缩积分单元。在预期的撞击区域进行网格细化,以确保捕捉到接触力和应力梯度,过渡区域采用渐变网格以控制规模。  

(3)连接建模:精确模拟铆钉、焊缝等连接件,这对于载荷传递和模拟蒙皮剥离至关重要。  

2、先进的材料与失效模型  

(1)鸟体模型:用光滑粒子流体动力学(SPH)方法建模。SPH是一种无网格的拉格朗日粒子方法,非常适合模拟鸟体这类在大变形下呈现类流体行为的材料。我们将鸟体简化为由成千上万个粒子组成的模型,以准确模拟其在高应变率下的流动、飞散和载荷传递特性。  

(2)金属结构(铝、钛合金):使用考虑应变率效应的塑性模型并定义失效参数,以预测材料的撕裂和穿孔。  

3、边界条件与载荷  

(1)固支边界:将机翼根部的截面节点进行全约束,模拟其与机身的连接。  

(2)初始条件:设置鸟体的初始速度(与空速相同,通常为150-20m/s)和初始位置(正对前缘或缝翼间隙)。  

三、计算结果  

在鸟体速度60m/s条件下,碰撞过程中机翼的应力分布云图如下,可见最大应力为216MPa,小于材料的屈服极限,蒙皮不会发生破坏。但撞击位置蒙皮变形较大,气动外形被破坏,需要进行修复。 

四、结论与工程价值  

ANSYS LS-DYNA 为飞机机翼的抗鸟撞设计提供了一个经过行业验证的、高预测精度的仿真环境。它将传统的“测试-失败-修复”模式转变为前瞻性的“仿真-优化-验证”模式。  

通过在产品设计初期进行大量虚拟测试,工程师可以:  

1)大幅降低风险:显著提高物理试验的一次成功率。  

2)节约成本:减少昂贵的全尺寸试验次数和原型机制造费用。  

3)缩短周期:加速设计迭代,更快地满足适航要求,抢占市场先机。  

4)深化认知:深入理解复杂的物理现象,驱动创新设计。  

ANSYS LS-DYNA 融入您的飞机研发体系,不仅是采用一款工具,更是拥抱一种确保安全、提升效率和引领创新的先进工程文化。

五、ANSYS LS-DYNA碰撞与冲击仿真实战

鸟撞航空发动机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。  

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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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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


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来源:仿真秀App

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首次发布时间:2025-08-29
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