Pamcrash在飛機鳥撞

分析中的應用

隨著航空業(yè)的飛速發(fā)展，飛機的安全性始終是航空領域最為關鍵的議題之一。鳥撞飛機事件作為航空安全領域中不可忽視的威脅，對飛機的結(jié)構(gòu)完整性和飛行安全構(gòu)成了重大挑戰(zhàn)。據(jù)統(tǒng)計，全球范圍內(nèi)每年都會發(fā)生數(shù)千起鳥撞飛機事件，其引發(fā)的后果從輕微的機體表面損傷到嚴重的飛行事故不等，不僅危及機上人員的生命安全，還會造成巨大的經(jīng)濟損失。因此，研究鳥撞現(xiàn)象、評估其對飛機的影響、并優(yōu)化設計以減少鳥撞風險，已成為航空工程領域中的一個重要課題。

圖1

飛機鳥撞

國產(chǎn)大飛機C919作為中國航空工業(yè)的重要里程碑，在抗鳥撞性能方面采取了多項措施和進行了嚴格的測試，以確保飛機的安全性和可靠性。為了深入掌握鳥撞對飛機的影響機制，提高國產(chǎn)大飛機在鳥撞沖擊等極端場景下的安全性，商飛運用 Pamcrash[1]等軟件，精確模擬飛機各部件在多種飛行姿態(tài)下承受鳥撞等多工況載荷時的應力應變分布，據(jù)此開展機體抗鳥撞新材料、新結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計和工程應用，提升結(jié)構(gòu)抗鳥撞性能。同時借助飛機結(jié)構(gòu)材料動力學性能試驗、典型結(jié)構(gòu)試驗數(shù)據(jù)，完成 Pamcrash動力學模型構(gòu)建和模型驗證，通過驗證的動力學模型大大減少物理試驗數(shù)量，極大提高設計和驗證工作效率。

圖2

C919大型客機

Pamcrash作為一個先進的有限元分析（FEA）工具，廣泛應用于模擬碰撞、結(jié)構(gòu)損傷和材料失效等復雜物理現(xiàn)象。在飛機鳥撞分析中，Pamcrash可以幫助工程師詳細評估鳥撞對飛機結(jié)構(gòu)的影響，提供重要的碰撞數(shù)據(jù)和損傷分析結(jié)果，可以幫助航空工程師設計更具抗撞能力的飛機，提高飛行安全。下面我們介紹下pamcrash在鳥撞分析中的應用。

Pamcrash鳥撞分析

鳥撞分析的核心目的是模擬飛機與鳥類之間的碰撞，評估鳥撞對飛機各部件（如機頭、發(fā)動機進氣道、機翼等）的影響。Pamcrash在飛機鳥撞分析中主要通過以下幾個步驟進行工作：

1) 創(chuàng)建鳥體模型

Pamcrash提供的SPH算法用于鳥類的幾何形狀和物理特性建模，將鳥類視為一個三維物體，如圖2所示。鳥類的質(zhì)量、彈性、硬度和破裂特性通常基于實際數(shù)據(jù)或?qū)嶒灲Y(jié)果進行設置。鳥類的材質(zhì)一般被建模為具有一定彈性和塑性的物質(zhì)，以便模擬鳥類在碰撞過程中發(fā)生的變形和破碎。

鳥體的本構(gòu)模型通過 Mornaghan EOS [2]定義。

圖3

鳥類SPH模型

2) 飛機結(jié)構(gòu)建模

飛機的結(jié)構(gòu)需要被詳細地建模，包括飛機機頭、發(fā)動機進氣道、機翼等部位。Pamcrash支持不同材料模型的使用，能夠模擬飛機各部分在鳥撞過程中的反應，包括金屬的塑性變形、復合材料的斷裂等。

有限元模型：飛機的各個部件使用有限元網(wǎng)格（FE Mesh）進行離散化，以便對飛機結(jié)構(gòu)在鳥撞過程中可能產(chǎn)生的變形和應力進行計算，如圖3所示。

材料行為：Pamcrash能夠模擬不同材料的力學行為，如彈性、塑性、損傷和斷裂等。這對于分析飛機結(jié)構(gòu)在鳥撞中受到的損傷非常重要。一般采用 Johnson-Cook 模型模擬金屬材料應變率相關的應力應變關系，在Johnson-Cook 本構(gòu)模型中，流動應力σ 可以表示為

圖4

飛機結(jié)構(gòu)有限元模型

3) 撞擊力和沖擊響應：在鳥撞事件中，鳥類的速度和撞擊角度會對碰撞結(jié)果產(chǎn)生重要影響。Pamcrash會模擬鳥類與飛機結(jié)構(gòu)接觸時的沖擊力，以及結(jié)構(gòu)對這種沖擊的響應。

損傷和破壞模式：Pamcrash能夠識別并模擬飛機各部件的損傷模式，如局部變形、裂紋擴展、結(jié)構(gòu)失效等。這為評估鳥撞后的結(jié)構(gòu)完整性和飛行安全提供了關鍵信息。

圖5

鳥撞過程模擬

4) 結(jié)果分析

通過對碰撞過程的仿真，Pamcrash可以提供詳細的分析結(jié)果。這些結(jié)果包括：

變形與損傷：如飛機機頭的損傷程度、發(fā)動機進氣道的損傷情況、機翼的結(jié)構(gòu)變化等。

應力和能量傳遞：分析鳥撞過程中的應力分布、能量吸收情況及可能的失效模式。這些信息對于評估飛機是否能繼續(xù)安全飛行至關重要。

殘余強度：在鳥撞后，Pamcrash能夠預測飛機剩余的結(jié)構(gòu)強度，幫助工程師評估飛機是否需要進行緊急維修或進行其他安全處理。

圖6

鳥撞后仿真與實際變形對比

圖7

鳥撞后實驗與仿真復合材料

失效結(jié)果對比

鳥撞仿真結(jié)果的應用

Pamcrash的仿真結(jié)果可以為飛機設計和安全評估提供有力支持，具體應用包括：

結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化：通過模擬不同類型的鳥撞事件，Pamcrash可以幫助工程師識別飛機設計中的薄弱環(huán)節(jié)，并進行優(yōu)化設計，例如加固飛機機頭、加強發(fā)動機進氣道防護等，如圖7所示。

圖8

尾翼前緣鳥撞實驗與模擬結(jié)果：

（a）原始尾翼前緣；

（b）新型尾翼前緣。

鳥撞防護標準的制定：航空管理機構(gòu)根據(jù)Pamcrash的仿真結(jié)果，可以制定飛機抗鳥撞的標準和測試要求，確保新型飛機能夠滿足安全要求。

安全性評估與風險預測：基于鳥撞仿真，Pamcrash可以幫助評估飛行器在不同鳥撞情況下的安全性，預測潛在的飛行風險，并為飛行員提供有效的應急預案。

總結(jié)

鳥撞是航空安全中的一個重要問題，對飛機的結(jié)構(gòu)完整性和飛行安全構(gòu)成潛在威脅。Pamcrash作為一款有限元分析軟件，在國產(chǎn)大飛機的開發(fā)中，特別是在抗鳥撞設計、材料模型驗證以及結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化方面，發(fā)揮了關鍵作用，為飛機的安全性能提供了重要的分析和評估工具。隨著技術(shù)的進步，Pamcrash在鳥撞分析中的應用將更加廣泛和深入，未來將持續(xù)助力國產(chǎn)大飛機開發(fā)，為我國航空事業(yè)邁向更高峰鋪就堅實之路。