Abaqus鸟撞仿真案例与SPH知识点

根据国际航空协会统计，1912年以来，鸟撞至少导致63架民用航空器失事；军用飞行器速度快，鸟撞危害更为严重，1950年以来文献记载的严重事故超过353起，至少165人遇难。1992～2008年，我国军用飞机因鸟撞造成20起严重的飞行事故、58起飞行事故征候和210起飞行问题，导致18架飞机坠毁、12名飞行员牺牲。

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飞鸟撞击对航行中的飞机来说特别危险，当撞击的相对速度比较大时，很容易造成飞机结构的局部破坏，尤其是撞到飞机结构强度薄弱的区域，比如机翼前缘蒙皮等。

根据真实事件改编的电影萨利机长中，空客A320-214起飞爬升过程中遭加拿大黑雁撞击，导致两具引擎同时熄火，飞机完全失去动力。

鸟撞问题是世界难题，飞机的结构一定要进行抗鸟撞设计。

飞机的抗鸟撞设计通常是结合试验与仿真技术，最大程度保证鸟撞之后发动机可靠性和机身气动外形相对完整性不被破坏。

鸟撞属于高速软体冲击动力学，鸟体的主要成分为水，仿真时往往采用状态方程将鸟体的本构描述为近乎流体的行为。鸟撞仿真涉及到鸟体溃散的极度变形，因此经常用到SPH或CEL方法来模拟鸟体对飞机结构的撞击。

01. Abaqus鸟撞发动机风扇叶片案例 

该案例基于Abaqus/Explicit SPH方法，鸟体质量2.08kg，鸟撞相对速度为250m/s，风扇叶片为某高强钢，屈服强度1100MPa，分析时长10ms，通过C3D8R单元转换生成SPH粒子。

SPH鸟撞发动机叶片

撞击之后叶片根部出现微小的塑性变形。

风扇叶片PEEQ

整机运动-变换参考系

02. SPH知识点 

上述案例涉及有限元转换SPH粒子，通常采用的单元类型是C3D8R、C3D6或C3D4；启动转换后，还有几个选项设置，下面分别讲一下这几个选项的含义和使用方法。

SPH粒子转化

• Criterion-Threshold

该选项可以设置粒子转换准则与阈值：

a.基于时间的准则

指定单元何时发生转换，不管当前变形的水平。如果阈值设置为0，则转换发生在分析的开始。

b.基于应变的准则

指定单元转换时的最大主应变的绝对值。随着单元的变形，如果最大主应变的绝对值大于指定阈值，则父单元逐渐地转换为SPH粒子，这个功能适用于有限元法优先的模拟，但是在变形严重的区域需要使用SPH的情况，比如爆炸、混凝土的压碎等。

c.基于应力的准则

指定单元转换时的最大主应力的绝对值。随着单元的变形，如果最大主应力的绝对值大于指定阈值，则父单元逐渐地转换为SPH粒子，这个功能适用情况和基于应变的准则类似。

d.基于用户子程序的准则

通过用户子程序，如VUSDFLD或VUMAT，访问材料点的状态数据，从而自定义转换准则。

• PPD
  

默认情况下，每个父单元只生成一个粒子。PPD用于指定单元等参方向生成的粒子数目。最终粒子总数还依赖于单元类型，如PPD=3时，C3D8R可以生成27个粒子，C3D6可以生成18个粒子，C3D4可以生成10个粒子。PPD最大可设置为7。

父单元粒子总数示例

• Kernel

默认情况下，Abaqus使用一个三次（Cubic）样条曲线作为插值多项式来执行SPH的内核方程，另外还可以选择二次（Quadratic）或五次（Quintic）的插值。

参见：Abaqus Documentation/Analysis/SPH

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