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。
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)。
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)。
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。
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。
将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。
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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