发动机叶片鸟撞仿真分析（LS-DYNA, SPH, Johnson-Cook）

   一、概述

    随着航空技术的迅猛发展，飞机数量和飞行航次急速增多，飞机鸟撞事故的数量也呈现上升趋势。鸟撞事故一般发生在飞机起飞降落阶段，以及军用飞机低空高速飞行时。飞机鸟撞事故的严重程度取决于所撞飞机部位、鸟体质量以及鸟与飞机相对撞击速度。根据统计，发动机风扇叶片和风挡是受鸟撞击概率最大的两个部位。由于鸟体的冲击力可能会打碎发动机叶片，而鸟在被搅碎之后，遗骸也可能堵塞发动机的管道，在撞鸟后，发动机往往会出现喘振起火，甚至自行停车，因此鸟撞发动机叶片的危害极大。

    鸟撞发动机的研究主要有实验和数值仿真方法两种。早期主要通过实验进行，但这类试验成本很高。20世纪随着计算机和仿真技术的发展，数值仿真在鸟撞发动机的研究中得到了广泛应用。鸟撞发动机问题属于高度非线性冲击动力学问题，撞击过程中叶片会产生大变形，而鸟体会呈现碎裂、流变现象。因此对鸟体建立准确地数值模型是鸟撞数值分析中的难点。

    根据鸟撞发动机风扇叶片动态响应的特点，本文混合使用SPH方法和有限元方法，鸟体采用SPH方法建模，用流动的粒子描述鸟体的大变形、破碎及飞散。发动机叶片区域使用有限元Lagrange方法，用Johnson-Cook材料本构模型模拟高速碰撞下的塑性变形。

二、工况及建模

    飞机涡扇发动机风扇由叶片和轮毂组成。叶片呈发散状，共有20片，材料为钛合金，其杨氏模量为115GPa，密度为4440kg/m³，泊松比为0.3，塑性本构采用Johnson-Cook模型。本例的材料参数由南京智能制造研究院的CoCreation材料数据库提供，感兴趣的可以添加微信公众号“天天材讯”进行了解。

                                                            图 1 发动机叶片的FEM模型

                                                                    图 2 鸟体SPH模型

    鸟体初速度为160m/s，方向与叶片转动平面垂直，分别撞击叶片的梢部、叶中和叶根，即图 3中的A、B、C三点。

                                                                    图 3 鸟体撞击叶片位置

三、仿真分析结果

    利用LS-DYNA计算得到三个工况的模拟结果，下图给出了鸟体撞击叶片的不同位置（叶梢、中部、叶根）时鸟体与叶片相互作用过程在3个不同时刻的比较。

    由图中可知，鸟体撞击中部和根部时，鸟体大部分从叶片穿过，此时鸟体仍然具有较大的质量和速度，对后续压气机的损伤会有较大的影响，且撞击中部时叶片的变形很大；撞击叶梢时，鸟体完全撞散，且滑过叶片的鸟碎片较少，对后续压气机的影响较小，但此时叶片的变形最大。

                                                                图 7叶尖位移-时间曲线

四、结论

    本文通过SPH方法模拟鸟体，用Johnson-Cook本构模拟叶片碰撞塑性变形，并对鸟体撞击叶片不同位置进行了数值仿真，得到了一系列的叶片变形图、应力及位移曲线。研究结果表明：鸟体撞击发动机风扇叶片的机械损伤程度和鸟体的撞击位置有很大的关系，当鸟体撞击叶梢时，叶尖位移很大，且叶根出现较大应力峰值，容易使叶片发生断裂，对发动机的损伤最大；当撞击叶根和中部时，部分鸟体容易滑入发动机内，会损伤后续压气机。实际中应该尽量避免叶片与高动能的鸟体发生碰撞。