基于SPH的叶片吞鸟过程模拟

simjoy

2020年4月20日 22:25

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1.引言

鸟撞是指航空器(包括固定翼和旋翼)与天空中的鸟体相互撞击造成的事故。鸟撞如果发生，通常会造成灾难的后果，既会威胁到机组人员和旅客的生命财产安全，也会导致飞机结构的损坏甚至引发机毁人亡的后果。

基于SPH的叶片吞鸟过程模拟的图1 鸟撞发动机外壳造成的损伤鸟撞发动机进气道风扇造成的损伤

针对鸟撞对飞机安全飞行的影响，欧美国家的民航管理部门都制定了相关的鸟撞击方面的适航性条款。如 FAA 在《美国联邦航空管理条例》FAR25部中做出规定：航空器与 4 磅(约合 1.81 千克)的鸟相撞，撞击之后航空器必须能够完成飞行直至降落，撞击时二者的相对速度为航空器的海平面巡航速度，或者在 8000 英尺高度下航空器速度的85%，这两种情况视事故发生的严重度而选取。同时 EASA 的 CS-25和中国民用航空局的 CCAR25 部(运输类飞机适航标准)中对于鸟撞击也有类似的规定。

对于鸟撞问题许多国家都成立了各自的研究机构，其中比较著名的有 BSC-USA(美国鸟撞研究委员会)、BSCE(欧洲鸟撞研究委员会)以及 IBSC(国际鸟撞研究委员会)。防止发生鸟撞事故，主要从两方面入手，一方面通过建立大量的驱鸟设施，研究鸟类的飞行轨迹避免和航空器的航空相冲突。另一方面通过改变航空器结构强度提高抗鸟撞击的能力。民航的发展是以安全性作为前提，因此鸟撞问题的研究对提高航空器的安全飞行是至关重要的。

在鸟撞击风扇叶片的过程中，由于鸟体减速而产生的巨大应力远远超过鸟体材料的屈服强度，致使鸟体发生了流变，因此鸟撞击过程可被描述成一个非恒定的流体动力学过程。对鸟撞击物理过程的理论与试验研究表明：鸟对刚性靶体的撞击可以分为初始撞击，压力衰减，恒定流动，流动终止四个阶段。

基于SPH的叶片吞鸟过程模拟的图2

在初始撞击阶段，鸟体前沿表面的质点相对于靶体表面突然静止，由此产生激励波并在鸟体中传播，如图（a）所示。位于激波后方的材料处于静止状态，在该区域产生极高的初始冲击压力，均匀地分布在撞击区域的靶面上。由于鸟体边缘为自由表面，靠近鸟体前沿的材料承受了较高的压力梯度，这个压力梯度使材料向外径向加速，形成径向松弛波，此阶段称为压力衰减阶段，如图（b）所示。松弛波是一种扇形的弱膨胀波，由鸟体的自由表面向中心传播。在经过激波作用后的介质中，声速总是大于激波传播速度。在松弛波不断地与激波相互作用之下，经过几次反射，进入恒定流动阶段，如图（c）。此后，流体质点接近靶面时，其速度降低而局部压力提高，当鸟体的末端进入这个压力场时，由于鸟体末端自由表面的干扰，压力场受到破坏，撞击表面的压力持续下降，直到鸟体末端抵达靶面，压力降为零，整个撞击过程结束。

由于鸟撞叶片过程属于高应变率、大变形、非线性接触碰撞，传统的有限元方法难以模拟这个过程。SPH（Smoothed Particle Hydrodynam ics）光滑质点流体动力学算法是无网格算法的一种，起初源于模拟天体物理演化计算，是一种纯拉格朗日粒子算法，是一种质点算法，它将流体力学连续方程用粒子方程来替代，粒子之间的作用通过插值方式来决定。由于 SPH 是一种质点算法，因此计算空间导数时不需要使用任何网格，而被插值公式中的解析微分式子所代替，从而避免了高维拉氏差分网格中的网格缠结和扭曲等技术难题，目前被广泛应用于处理结构动力学问题，如结构大变形解体、碎裂等分析（如高速碰撞、流固耦合碰撞等），其特点是在模拟物体大变形时，既可以克服 Euler 方法难于跟踪结构变形和不能识别材料界面位形的缺点，同时也解决了传统Lagrange 方法在大变形下的网格扭曲问题，因此对于计算鸟撞击这种高速碰撞问题特别有效。