飞机的鸟撞实验
飞机尾翼前缘结构鸟撞模型与试验验证
飞机尾翼前缘结构鸟撞模型与试验验证发表时间：2019-12-30T13:08:15.447Z 来源：《科学与技术》2019年 15期作者：倪磊[导读] 鸟撞是飞机在飞行中遇到的重要危险之一摘要：鸟撞是飞机在飞行中遇到的重要危险之一，同时也是一种突发性和多发性的飞行事故，因此，结构抗鸟撞设计成为飞机设计必须考虑的要素。
本文针对某飞机尾翼前缘结构基于光滑粒子流模拟了结构遭受鸟撞时结构损伤的全过程；以前缘结构鸟撞试验为基础，研究了前缘结构受鸟撞击的破坏模式；分析表明：模型的数值结果与试验结果在前缘结构的变形、破坏模式和应变曲线趋势吻合较好。
关键词：鸟撞；SPH方法；前缘结构中图分类号：V215.9, V216.5 文献标志码：A0 引言飞机飞行期间，飞机的迎风面对于鸟撞是敏感部位，这些结构中常设有各种管路系统等重要设施，一旦遭到破坏，飞机的安全性能就得不到保障，因此结构的抗鸟撞能力是设计必须考虑的。
过去通过昂贵的全尺寸鸟撞试验来验证，如果鸟撞验证试验未通过，这就会大大增加飞机的研制风险。
因此，为了降低设计阶段成本和风险，数值模拟方法被用来支持取证过程[1]。
一个精确的数值模拟模型能够让设计者对鸟撞撞击事件中所表现出的力学行为有更加明确的了解，本文采用大型非线性有限元方法，基于光滑粒子流建立了尾翼前缘结构鸟撞的数值分析模型，详细模拟了结构遭受鸟撞时结构损伤的全过程；同时，开展了飞机尾翼前缘结构鸟撞试验，研究前缘结构受鸟撞击的破坏模式。
最后，对比分析了模型和试验的前缘结构变形、破坏模式和应变曲线趋势，吻合比较好。
1 尾翼前缘结构根据某飞机平尾前缘危险部位筛选情况来看，前缘蒙皮、隔板和前梁腹板的对接位置为最危险部位，因该处的对接均在展向同一位置。
因此，从对接位置向左向右各延伸4个肋站位截取飞机平尾前缘结构中一段来作为分析和试验的目标，试件总长度1523mm，8个肋站位保证了试件遭受鸟撞时，能量能够充分的扩散。
航空合金板鸟撞实验结果分析及模型建立
·53·文章编号：2095-6835（2023）22-0053-04航空合金板鸟撞实验结果分析及模型建立王裕琳，苏长青，赵天（沈阳航空航天大学安全工程学院，辽宁沈阳110135）摘要：选取航空合金板为实验材料，通过使用红外线测速仪及超动态应变仪进行数据采集，对航空合金板鸟撞实验结果进行分析，研究实验中撞击的全过程，收集到撞击时应力及应变等主要数据，探究撞击事故对于该种材料及其内部所造成的影响；并应用Ansys/Ls-dyna 分析程序建立相对应的分析模型，将实验过程进行量化数值模拟，得出冲击瞬间合金材料板所受应力、所产生应变及其分布规律，并结合实验数据计算结果验证模型的真实性及拟合性。
实验结果表明，该合金材料板受到高速条件下的模拟鸟弹撞击时，合金材料受击中心区域产生较为明显的形变，同时其内部受到约800MPa 的较高应力，但冲击事故时间较短，并未对合金材料板造成更大破坏，同时远离受击中心点区域受到冲击影响随与中心区域距离变大有明显降低，应力沿合金板材较短边方向衰减速度较快。
关键词：合金材料；鸟撞；模拟分析；冲击中图分类号：V215文献标志码：ADOI ：10.15913/ki.kjycx.2023.22.015鸟撞是一种因飞鸟与空中高速运动物体（如客机等）相撞而引发的事故。
在航空业中，因鸟撞事故所引发的事故其直接和间接经济损失非常之高。
目前各个国家都采用一定的措施来避免航空工作中的鸟撞事故，但没有任何一种方式能完全防止此类事故的发生[1-3]。
因此在关于飞机结构的可靠性研究中就要将飞机本身的结构承受能力考虑其中，一方面要保证飞机有着一定的承受能力，即使在发生事故的情况下也能够保持最低的承载能力不致坠毁[4-5]；另一方面要考虑到飞机等空中运载工具在实际情况下的运行成本，这就要求飞机在结构上尽可能地删减其冗余结构，同时增加其容纳能力[6-7]。
考虑到鸟撞事故的特殊性，飞机在结构上的设计要求应满足其强度能保证飞机结构在任意可能遭受到鸟撞的位置，受到飞鸟冲击后仍能保证飞机本体结构完成飞行功能的可靠性。
中低速民用飞机尾翼抗鸟撞选型与验证
中低速民用飞机尾翼抗鸟撞选型与验证发布时间：2021-07-16T07:28:17.043Z 来源：《防护工程》2021年8期作者：钟涛谭一鸣[导读] 中低速民用飞机飞行速度和飞行高度均不高，尾翼翼型相对较厚，与飞鸟撞击后飞鸟不易滑开和破裂，易对尾翼结构造成破坏，影响飞行安全。
目前中低速民用飞机尾翼多采用复合材料，尾翼抗鸟撞设计与传统金属尾翼存在一定差异性。
本文对比了几种复合材料尾翼结构所使用的抗鸟撞设计构型，对其优缺点和结构效率进行了分析，并选择了四类进行了实际鸟撞实验验证，得出了兼顾结构效率和功能实现的设计构型。
钟涛谭一鸣中航飞机股份有限公司汉中飞机分公司陕西汉中 341000摘要：中低速民用飞机飞行速度和飞行高度均不高，尾翼翼型相对较厚，与飞鸟撞击后飞鸟不易滑开和破裂，易对尾翼结构造成破坏，影响飞行安全。
目前中低速民用飞机尾翼多采用复合材料，尾翼抗鸟撞设计与传统金属尾翼存在一定差异性。
本文对比了几种复合材料尾翼结构所使用的抗鸟撞设计构型，对其优缺点和结构效率进行了分析，并选择了四类进行了实际鸟撞实验验证，得出了兼顾结构效率和功能实现的设计构型。
关键词：尾翼；抗鸟撞；设计与验证Selection and verification of bird impact resistance for tail of medium and low speed civil aircraftZhong Tao, Tan Yiming（Hanzhong aircraft branch of A VIC aircraft Co., Ltd.HanzhongShaanxi 341000,China）Abstract：The flight speed and altitude of medium and low speed civil aircraft are not high, and the tail airfoil is relatively thick. After impact with the bird, the bird is not easy to slide and break, which is easy to damage the tail structure and affect flight safety. At present, the tail of medium and low speed civil aircraft is mostly made of composite materials, and the anti bird impact design of the tail is different from that of traditional metal tail. In this paper, the bird impact resistance design configurations of several composite tail structures are compared, and their advantages and disadvantages and structural efficiency are analyzed. Four kinds of bird impact experiments are selected to verify the results, and the design configurations with consideration of structural efficiency and functional realization are obtained.Key word：Tail, bird impact resistance, design and verification飞行器在飞行过程中与飞行中的鸟类之间物理撞击而使飞机结构或系统发生损坏的现象被称为“鸟撞”。
中国民航飞机鸟击事件统计分析与研究
§１．２国内外研究现状
Hale Waihona Puke 为减少鸟撞击事故带来的巨大损失，避免此类事故的发生，许多国家都先后 开展了这方面的研究工作。国际民航组织（ＩＣＡＯ）专门成立了鸟撞信息收集系统， 专门收集飞鸟撞击飞机事件进行收集、整理和分类并进行数据分析和研究，对全 球各国航空运输企业进行指导和帮助。美国空军为此成立了飞行器鸟撞击危险工 作组（Ｂｉｒｄ Ａｉｒｃｒａｆｔ Ｓｔｒｉｋｅ Ｈａｚａｒｄ Ｔｅａｍ），对飞机鸟撞击事故进行统计和分析，提 出防撞措施。欧洲各国还共同成立了欧洲鸟撞委员会（Ｂｉｒｄ Ｓｔｒｉｋｅ Ｃｏｍｍｉｔｔｅｅ Ｏｆ Ｅｕｒｏｐｅ）该协会定期举行会议，收集、分析与交流欧洲范围内鸟撞击事故的有关 数据和信息。中国民航非常重视鸟击防止工作，２０００年１２月民航总局批准发布 的《中国民用航空安全规划纲要（２００１－－２０１０）》中特别强调“深入开展预防鸟 击的研究，采取措施使鸟击事件对飞行安全的影响降至最低”“１。２００３年，中 国民航机场鸟击信息系统正式使用。该系统包括鸟类识别系统、鸟情信息系统、 鸟击报告与分析系统。该系统重点对机场周围的鸟类识别、鸟类活动、以及鸟击 报告进行收集和整理，同时发送相关的鸟击资料、简报和规章等。１。
中国民航飞机鸟击事件统计分析与研究
ａｃｃｉｄｅｎｔｓ ｏｒ ａｃｃｉｄｅｎｔ ｓｉｇｎ ｆｒｏｍ １９９３ ｔｏ ２００１．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｅ， ｔｈｅ ａｒｔｉｃｌｅ ｆｉｎｄ ｏｕｔ ｔｈｅ ＣＡＡＣ ｂｉｒｄｓｔｒｉｋｅ ｅｖｅｎｔｓ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ，ｍａｉｎ ａｉｒｌｉｎｅｓ ｂｉｒｄｓｌ】．ｉｋｅ ｐｒｉｎｇｃｉｐｌｅ，ｍａｉｎ ａｉｒｃｒａｆｔ ｂｉｒｄｓｇｉｋｅ ｐｒｉｎｇｃｉｐｌｅ，ｔｉｍｅｌｙ ｐｒｉｎｇｃｉｐｌｅ ｏｆ ｂｉｒｄｓｔｒｉｋｅ，ｓｐａｃｅ ｐｒｉｎｇｃｉｐｌｅ ｏｆ ｂｉｒｄｓｔｒｉｋｅ，ａｌｓｏ ｆｉｎｄ ｏｕｔ ｔｈｅ ａｆｆｅｃｔｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ ａｉｒｃｒａｆｔ ｐａｒｔｓ ｏｒ ｅｎｇｉｎｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｌｉｇｈｔ．Ｔｈｅ ａｒｔｉｃｌｅ ｇｉｖｅｓ ａ ｂｉｒｄｓｔｒｉｋｅ ｒｉｓｋ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｂｉｒｄｓｔｒｉｋｅ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｌｏｓｓｅｓ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ，ｓｕｍｍａｒｉｚｅｓ ｍａｄ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｂｉｒｄｓｔｒｉｋｅ ｈａｒｍｓ ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ ａｎｄ ｈａｎｄｌｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ／ｍｅｔｈｏｄｓ．
鸟撞飞机物理原理
鸟撞飞机物理原理鸟类与飞机的相互作用已经成为了航空学中不可避免的一个问题。
当鸟类迎面撞击飞机时，这种作用往往会对飞机的稳定性产生严重影响，甚至会导致飞行事故的发生。
在科学研究中，探究鸟撞飞机的物理原理显得尤为重要。
需要了解鸟类与飞机的相对速度。
当飞机在滑翔或起降时，为了保证安全，在降低飞行高度和速度时通常会采用襟翼机翼等减速设备。
这种减速措施和鸟类相对速度并不会很大的减少。
相对速度的增加意味着鸟类会对飞机产生更大的碰撞力。
鸟类的体积、密度以及质量等参数也对鸟撞飞机产生影响。
在飞机飞行中，一般很难知道飞机的碰撞对象是何种鸟类，常见的鸟类在体积、密度和质量等方面的参数都有所不同。
不同参数的鸟类和飞机碰撞会产生不同的影响。
有可能只是飞机表面的伤痕，也有可能导致严重的损伤。
碰撞点和角度也是影响鸟撞飞机的重要因素。
在飞机飞行中，鸟类可能从任何方向和任何速度飞向飞机，但在碰撞时碰撞点和角度的位置会对飞机的损伤造成不同的影响。
碰撞点集中在机翼、发动机进气道、机身、尾翼等部位。
在不同部位的碰撞会产生不同的力量。
如果鸟类在飞机的发动机进气道里面被击中，那么由于飞机所处的飞行高度，飞机所承受的动能十分巨大，鸟类可能会被压缩成较小的碎片，同时也会对飞机发动机产生极大的破坏。
如果在机翼处产生碰撞，机翼可能因飞行速度过快而折断，从而导致飞机失去平衡。
飞机的相应措施也影响飞机被鸟类撞击后的反应。
飞行员在飞行中可以通过采取一些措施尽可能减少碰撞的影响，飞行员可以及时采取驾驶技术措施，如加速减速，提高优越高度，采取空中干扰措施等，以减少受到鸟撞的冲击影响。
鸟类撞击飞机问题在航空领域中已经开始被广泛关注，未来许多研究也将不断地进行。
众多科学家和技术人员正在寻找最有效的方法，以减少或完全避免鸟撞飞机事故的发生。
通过大量的实验、模拟和计算，我们能够更好地了解到鸟撞飞机的物理原理，进而寻找解决问题的途径。
在实践中，科学家和技术人员采用了多种方法来应对鸟撞飞机的问题。
机场鸟撞文献概述
机场鸟撞情况文献概述一、鸟撞概述鸟击又称鸟撞，它是指飞机在起飞、飞行和着陆的过程中与空中的飞鸟相撞所产生的飞行安全事故或事故征候。
随着民用和军用航空事业的迅速发展，航班次数的不断增加，鸟类与飞机相撞事故不断发生，已公认是世界范围的新问题。
据权威统计，全球每年大约发生万次鸟击飞机事件，每年因机鸟相撞损失100多亿美元，国际航空联合会已把鸟害升级为“A类航空灾难”。
在高速碰撞时，一只小鸟相当于一发炮弹，对民航飞机和军用飞机的飞行安全都构成威胁。
相撞后的力量超过飞机某一部件的承受力，就有可能损坏飞机的机体或零部件，轻者让飞机不能正常飞行，被迫紧急降落；严重的就直接威胁飞行安全。
据计算，一只0.45公斤的小鸟撞在时速960公里的飞机上会产生22，000公斤的力量，一只500g 的小鸟与时速370公里的飞机相撞，将产生高达3t的冲击力。
据研究数据显示，飞机的发动机遭遇鸟撞的次数最多。
鸟撞事故的发生与鸟的活动、鸟的数量、鸟的群体有密切关系。
我国目前有1300多种鸟类活动，它们大多在1000米以下低空活动，所以我国的飞机鸟撞事故发生高度在1000m以下的占事故总数的85.5％，500m以下的占79.1％，300m 以下的占62.6％。
按飞行阶段统计，我国有67.5％的鸟撞事故发生在飞机起飞、降落阶段。
而FAA( The Federal Aviation Administration)调查发现大约98％的鸟撞发生在飞机起飞和爬升的阶段，2％的可能性发生在飞行中。
因此，现阶段鸟击防范的重点在低空和地面机场责任区范围内。
从鸟撞发生的时间看，多集中在春季和秋季。
春天是繁殖(孵化)期，幼鸟出生，植物萌芽，昆虫生长，鸟类到处觅食，同时候鸟北迁，鸟类活动增多。
秋天也是候鸟迁徙期，鸟类数量会剧增。
因此每年4月、5月和10月是鸟撞事故的高峰期。
把一天的时间分早、中、晚，鸟在上午忙觅食，傍晚回巢过夜，活动量大。
早晚鸟撞事故为76.6％，其中晚上的鸟撞事故占鸟撞事故总数的55.3％，高峰又集中在上半夜(月份多在鸟的迁徙期)，这可能与鸟的夜行性和迁徙性有关。
大型民用飞机风挡鸟撞的适航分析与数值仿真
图1㊀美国1990-2014年造成损害的鸟撞民用飞机数大型民用飞机风挡鸟撞的适航分析与数值仿真陈佳慧,胡宇群,陈㊀川(南京航空航天大学民航学院,江苏南京211100)摘㊀要:鸟撞一直都是航空安全的隐患,对此需要有相应的适航条款来表明民用飞机相关部件的抗鸟撞性能符合要求㊂针对风挡鸟撞问题现状,分析了目前民用飞机鸟撞适航验证的方法和手段,对比研究了不同鸟撞数值模型,通过计算机辅助设计软件建立了某型民用飞机风挡三维几何模型,采用显式非线性数值分析软件ANSYS /LS -DYNA 进行风挡鸟撞过程的数值仿真分析,以期为大型民机风挡鸟撞适航验证提供更有效的方法和手段,提高适航验证工作效率,降低工作成本㊂关键词:符合性验证;适航;鸟撞;飞机风挡中图分类号:V214.1;V244.1㊀㊀㊀文献标识码:A㊀㊀㊀文章编号:1671-654X (2016)04-0091-04Airworthiness Analysis and Numerical Simulation of Bird Impacton Large Civil Aircraft WindshieldCHEN Jia-hui ,HU Yu-qun ,CHEN Chuan(College of Civil Aviation,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 211100,China)Abstract :Bird strike is a major threat to aircraft windshields and need a certification requirement for a proven level of impact resistance.Apart from costly bird strike experiments ,explicit numerical modeling techniques have been employed.This paper summarized the current airworthiness verification methods of bird strike ,compared the different bird strike analysis models.With the help of Computer Aided Design software ,established a three -dimensional geometric model of a certain type of civil aircraft windshield ,and the simulation of the dynamic process of bird impacting windshield is run using the nonlinear explicit finite element code ANSYS /LS -DYNA.The solution of analysis presents the theoretical basis for the airworthi-ness certification methods of bird strike windshield ,in hope of improving the efficiency of airworthiness ver-ification work and reducing the cost.Key words :compliance verification ;airworthiness ;bird strike ;windshield引言随着航空运输业的快速发展,飞机数量和飞行架次快速增长,加剧了有限空域中飞机与鸟类对生存空间的竞争㊂此外,鸟类体积较小而现代民用飞机的飞行速度较大,飞行人员以及飞鸟互相难以在安全距离内及时发现并规避对方,使得飞机鸟撞事件目前还难以从根本上杜绝㊂图1所统计的数据[1]也表明了飞机鸟撞事件的数量长久以来并未得到有效降低㊂鸟撞问题一直困扰着航空安全,给航空产业带来了巨大的经济损失,据统计,鸟撞带来的飞机损失㊁维修以及航班延误等所造成的经济损失保守估计每年要达19.3亿美元[1-2]㊂由于鸟撞对航空安全的威胁以及可能导致的巨大经济损失,各国民用航空管理部门制定了一系列民用航空器的抗鸟撞适航审定条款,要求民用飞机在受到一定重量的飞鸟撞击后仍能够安全地完成一次飞行㊂对于民用飞机抗鸟撞的适航要求,需要从其设计开始就予以考虑㊂在设计阶段,目前对飞机抗鸟撞能力一般采用经㊀收稿日期:2016-05-23㊀㊀㊀修订日期:2016-06-26㊀作者简介:陈佳慧(1991-),女,江苏常熟人,硕士研究生,主要研究方向为适航技术与管理㊂第46卷㊀第4期航空计算技术Vol.46No.42016年7月Aeronautical Computing TechniqueJul.2016验法进行初步分析,而在审定过程中常采用全尺寸鸟撞试验来验证对相关条款的符合性,但是全尺寸的鸟撞试验需要较高的成本和较长的周期[3]㊂随着计算机技术的飞速发展,有限元等数值分析方法及其软件逐步发展成熟,并在航空领域得到广泛应用,这为民用航空器鸟撞的适航符合性验证提供了数值仿真分析手段㊂通过分析现有的计算机数值仿真手段,研究对比不同鸟撞分析模型,构建能够适用于分析民用飞机风挡鸟撞的适航符合性验证手段,将有助于提高大型民用飞机风挡对相关鸟撞适航条款符合性验证工作的效率㊂本文通过计算机辅助设计软件建立某大型民用飞机风挡三维几何模型,采用显式非线性数值求解工具ANSYS/ LS-DYNA进行风挡鸟撞过程的数值仿真分析,以期能为大型民机风挡鸟撞适航所需的试验和计算分析提供更有效㊁更系统的方法和手段,提高适航验证工作效率,降低工作成本㊂1㊀民用飞机鸟撞适航验证方法民用飞机适航具有过程完整性的特点,它指包括从飞机设计㊁制造㊁使用㊁维修到退役整个飞机寿命里飞机都满足适航的要求㊂设计阶段分析飞机抗鸟撞能力采用的计算分析方法普遍假设鸟体在撞击路径上是连续的,并且省略了飞机结构上不与鸟体发生撞击的部件,这样虽然简化了计算,但由于实际受鸟撞部位的结构边界约束条件等与计算分析模型存在差异,往往使得最后的结果偏保守㊂而对于民用飞机的合格审定,FAA和EASA都要求做全尺寸的试验来确定飞机风挡㊁机翼等有抗鸟撞要求的结构满足标准㊂这类工程试验通常都需要耗费大量的人力物力,在一次风挡研制过程中,可能需要进行上百次的全尺寸鸟撞试验[4]㊂有限元等数值方法为鸟撞问题的分析提供了一种新的途径,这种方法先通过数值分析法来准确地模拟鸟撞事件,包括模拟飞机结构破坏的过程以及相邻结构间的载荷作用,通过应力㊁应变㊁位移等诸多数值结果对鸟撞进行分析,再由试验作进一步验证㊂这种方法有很多的优势:1)由于这种数值仿真分析是经过试验验证的,具有很高的精准性和权威性,可以大大降低设计的保守性;2)可以对鸟撞进行大范围的撞击位置㊁撞击情况的仿真,从而提高结构的安全性;3)可以精确地计算结构间的载荷作用,从而设计出更优良的连接装置和传动装置;最后,通过数值仿真可以有效减少试验的次数,降低审定成本和时间㊂近年,随着大型民用飞机投入到研发生产中,民机的适航审定工作成为关注的重点㊂在有限元数值分析法及其软件逐步发展的基础上,民用飞机鸟撞适航验证工作要求对飞机进行结构安全分析㊁系统安全分析以及鸟撞动力学分析,并与鸟撞验证试验相结合,通过数值分析有针对性地明确民机验证过程中应考虑的部位以及各部位的验证方法㊂通过反复多次数值分析与试验验证得到最优的模型参数,并对初始飞机设计下不符合鸟撞要求的部位进行再设计,从而使得最终的结构满足适航要求㊂鸟撞风挡问题不是一个简单的数值分析问题,它需要将验证试验和数值分析紧密结合起来,是一个复杂的工程实际问题,需要考虑诸多的因素㊂在数值分析中,模型的简化方式㊁参数的设置㊁材料失效模式的定义㊁接触碰撞的形式㊁网格的划分等等都可能影响最终分析结果的准确性㊂而解决这些问题的方法,需要通过试验与数值分析相结合,不断尝试,不断修正的形式㊂在这方面,国外已经积累了较多的经验,并有了较为成熟和细节化的鸟撞验证方法体系,而国内还处在摸索阶段,有许多问题尚待解决㊂鸟撞适航要求同适航审定方法一样经历了一个发展㊁完善的过程,对于大型民用飞机风挡抗鸟撞的适航要求目前主要包括:CCAR/FAR25.571(e)(1)[5-6]对结构损伤容限(离散源)的评定,CCAR/FAR25.775[5-6]对风挡和窗户的适航要求㊂此外,在国军标[7-8]中也有对抗鸟撞设计和鸟撞试验的要求及指导㊂2㊀民机风挡鸟撞数值模型及分析2.1㊀鸟体模型鸟体本构关系及其参数的确定是数值分析中的关键㊂在撞击过程中鸟体的力学性质从低速到高速是变化的,一般情况下,鸟体组织的力学性能在低速下是不均匀的,而随着速度的增加,这种不均匀性慢慢可以被忽略,鸟体可以被看作是介于流体和固体之间的一种状态[9]㊂常用的鸟体模型有塑性动力学材料模型㊁状态方程材料模型㊁流体材料模型㊂张永康㊁李玉龙[10]对以上3种鸟体材料模型进行了力学仿真研究,得出鸟撞击速度低于100m/s时,采用带失效的塑性动力学材料模型描述鸟体较合理;而鸟撞击速度高于100 m/s时,鸟体的仿真宜采用状态方程来描述㊂考虑到鸟撞主要发生在起飞降落和较低的飞行高度上,而民用飞机的速度根据CCAR91.117[11]规定在距机场中心7.5km范围内,离地高度2500ft(750m)以下,飞机最大速度不能超过200kt(103m/s),所以可以采用塑性动力学材料模型㊂常用的鸟体躯干简化形状有圆柱体㊁两端带半球的圆柱体和椭球体㊂朱书华[12]㊁Meguid[9]㊁Bheemred-dy[3]等人分别都对鸟体形状进行了研究,发现两端带半球的圆柱体鸟体仿真得到的结果与试验所得的结果㊃29㊃㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀航空计算技术㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第46卷第4期表1㊀鸟体材料参数密度/kg/m3弹性模量/MPa屈服应力/MPa泊松比失效应变切线模量/MPa长度/mm直径/mm质量/kg 9251000010.3 1.255228114 1.8最为接近,故本文采用两端带半球的圆柱体作为鸟体㊂常用的鸟体密度一般在900~950kg/m3之间[12-16],取其中间值作为本文的鸟体密度,鸟体的其他参数在众多文献中基本一致,具体如表1所示㊂国军标规定,鸟撞试验中的鸟弹长径比为2:1,结合鸟体质量㊁密度和形状,可以得出鸟体总长度L为228mm,直径D为114mm,与试验及标准所需的鸟体要求一致㊂2.2㊀风挡模型典型的风挡结构一般由风挡玻璃㊁支撑结构以及玻璃与支撑结构间的橡胶垫片组成[12]㊂由于鸟撞风挡的数值分析主要关心的是风挡玻璃受撞击后的动响应和失效模式,所以在建模时,一般都对风挡进行简化,省去支撑结构㊁橡胶垫片等模型,而对风挡玻璃建立相应的边界条件㊂白金泽㊁孙秦[17]研究了风挡边界条件对鸟撞风挡动响应分析结果的影响,得出风挡四周完全固支与完全铰支条件下计算所获的位移㊁应变曲线基本相同,并与试验结果较为相符,所以为了简化计算一般对风挡采用四周完全固支的边界条件㊂根据文献[18]风挡玻璃采用YB-3航空有机玻璃,厚度为15mm㊂考虑到YB-3航空有机玻璃材料特点,选用LS-DYNA中的塑性动力学材料模型来模拟,具体材料参数[18]见表2㊂简化后的风挡材料应力-应变由两段直线描述,鸟撞过程中,在材料发生塑性屈服前,应力-应变由第一段直线描述,此时应力的增加与弹性应变成正比;在材料发生塑性屈服后,应力-应变由第二段直线描述,此时应力的增加与总应变成线性关系;当材料应变值达到失效应变时,材料则发生失效,失效单元被删除㊂因此,风挡玻璃是否破坏的判据是其应变值是否达到失效应变,即εȡεb㊂表2㊀3#航空玻璃材料参数密度/kg/m3弹性模量/MPa 屈服应力/MPa失效应力/MPa泊松比失效应变切线模量/MPa1190315068780.350.067237 2.3㊀鸟撞工况我国民用飞机鸟撞事件80%是发生在飞机起飞㊁爬升和进近㊁着陆阶段,民机在起飞㊁降落时的飞行速度约为0~100m/s[13]㊂由于鸟撞容易发生在起飞和降落阶段,一般要求在10000ft(3048m)海拔高度以下飞机的最大速度不能超过250kt(128.6m/s),在2500ft(750m)海拔高度以下不能超过200kt (103m/s)[11,19]㊂基于适航条款㊁实际飞机飞行速度㊁以及数值分析中风挡破坏和尚未破坏时动响应的差别,为了便于比较分析,可以采用250kt以下且风挡尚未破坏时的速度作为鸟撞速度㊂风挡的几何构造并不是对称的,所以鸟撞对风挡不同区域的撞击危害影响程度可能会有差异,为了减少全尺寸试验时不必要的试验次数,可以通过数值分析法对风挡的不同撞击区域进行仿真测试,确定最危险的撞击点,为此本文将风挡的撞击部位分为5处,分别是风挡中心㊁风挡左上方中心㊁风挡右上方中心㊁风挡左下方中心和风挡右下方中心㊂飞机风挡在安装时有一定的安装角度,一般在25ʎ~37.5ʎ之间[20],为了分析不同撞击角度对风挡危害的影响程度,同时考虑到飞机的安装角度和鸟撞可能出现的角度,对风挡中心进行了30ʎ㊁45ʎ㊁60ʎ㊁75ʎ和90ʎ五种角度的数值分析㊂图2为某民机风挡受鸟撞的视图,在数值分析时简化了模型,只分析其中一块主风挡受鸟撞的情况㊂图2㊀鸟撞风挡视图3㊀计算结果与分析3.1㊀撞击角度分析图3是通过数值仿真得到的不同角度撞击风挡中心撞击点的位移图,从图中可以看出,随着撞击角度的增大,撞击点处的位移也增大,且位移增大的幅度逐渐减小,表明随角度的增加,角度变化对风挡撞击的危害影响区别减小,故在正撞击鸟撞试验中,可以允许鸟撞角度在可接受范围内有微小偏差,这与鸟撞试验的要求也相符㊂3.2㊀撞击位置分析图4为风挡不同撞击位置撞击点处的位移,可以看出风挡正中心受撞后的位移远大于四个角落中心点的位移,并且四个角落中心点上的位移基本相同㊂图5为不同撞击位置撞击点在撞击方向上的应变,在前4ms中,风挡左上和右上中心点处的应变最大值大于风挡左下和右下中心点处的应变最大值,分别为㊃39㊃2016年7月陈佳慧等:大型民用飞机风挡鸟撞的适航分析与数值仿真㊀㊀㊀㊀㊀0.00748和0.00701,而风挡正中心的应变最大值最小;在4ms 以后,风挡四个角落中心点的应变值变小,而风挡正中心的应变值显著变大,最大值达到了0.0086㊂综合位移和应变来看,风挡正中心为受到鸟撞后最危险的部位㊂图3㊀不同角度撞击风挡中心撞击点的位移图4㊀不同撞击位置撞击点的位移图5㊀不同撞击位置撞击点的撞击方向应变4㊀结论鸟撞适航验证试验是飞机取得适航证不可缺少的一个环节,但是全尺寸的鸟撞试验会耗费大量的人力物力,所以采取有限元数值分析和鸟撞验证试验相结合鸟撞适航验证方法,由仿真结果为试验提供支持,一定程度上减少不必要的破坏性试验,提高审定效率㊂本文通过有限元数值分析,得到了以下几点结论,为鸟撞试验提供参考:1)随着撞击角度的增大,撞击点处的位移增大,对风挡造成的危害也就变大,所以可以选取正撞击作为鸟撞试验角度㊂2)在正撞击附近角度微小的变化造成风挡撞击点位移的区别很小,表明在正撞击鸟撞试验中,可接受范围内角度微小的偏差对鸟撞试验结果的影响并不是很大㊂3)综合考虑位移和应变,风挡正中心为受到鸟撞后最危险的部位,在鸟撞验证试验中应当着重考虑㊂参考文献:[1]㊀Edward C Cleary ,Richard A Dolbeer ,Sandra E Wright.Wildlife Strikes to Civil Aircraft in the United States1990-2014[R ].Washington D C :Federal Aviation Administra-tion ,National Wildlife Strike Database ,2015.[2]㊀John R Allan ,Alex P Orosz.The Costs of Birdstikes to Com-mercial Aviation [C ]//Calgary :Environmental Health and Protection Commons ,2001.[3]㊀Bheemreddy V P ,Chandrashekhara K ,Thomas P Schuman.Finite Element Modeling of Bird Strikes and Parametric Eval-uation using Design of Experiments (DOE )[D ].Rolla :Mis-souri University of Science and Technology ,2010.[4]㊀宋春艳,朱广荣.大型民机复杂结构抗鸟撞动力学分析与适航验证技术研究[C ]//南京:2011全国振动理论及应用学术会议,2011.[5]㊀中国民用航空局.CCAR -25-R4,运输类飞机适航标准[S ].北京:中国民用航空局,2011.[6]㊀Administration FAA.14CFR Parts 25,Airworthiness Stand-ards :Transport Category Airplanes [S ]:Washington :FederalAviation Administration ,2013.[7]㊀国防科学技术工业委员会.GJB67A -2008,军用飞机强度与刚度规范[S ].北京:国防科学技术工业委员会,2008.[8]㊀国防科学技术工业委员会.GJB2464A -2007(K ),飞机透明件鸟撞试验方法[S ].北京:国防科学技术工业委员会,2007.[9]㊀Meguid S A ,Mao R H ,Ng T Y.FE Analysis of GeometryEffects of An Artificial Bird Striking An AeroengineFanBlade [J ].International Journal of Impact Engineering ,2007,35:487-98.(下转第98页)需要的绘图指令,在画布上绘制相应的图形,并在右侧属性栏进行位置和大小的调整,设计好的符号最终生成XML 文件保存于数据库中,供DF 定义文件设计时调用㊂图5㊀符号设计器界面图实践表明,本文研究开发的符号设计器,可以有效地辅助定义文件设计,使得设计人员准确㊁方便且高效地设计出符合ARINC661规范的基于XML 语言的符号定义文件,从而为CDS 的个性化设计提供了便利㊂参考文献:[1]㊀袁磊,孙永荣,周晓达,等.基于ARINC661的DF 文件设计平台研究与实现[J ].现代电子技术,2012,35(5):156-159.[2]㊀Zheng Y ,Lei X Y.Research and Implementation of VirtualCockpit Panel Development Platform based on ARINC 661[C ]//Yantai :2014IEEE Chinese.Guidance ,Navigation and Control Conference ,2014:1357-1361.[3]㊀袁磊.基于ARINC661的CDS 设计文件开发平台研究[D ].南京:南京航空航天大学,2013.[4]㊀姚旭寅.基于ARINC661的通用驾驶舱显示成员系统接口规范设计[J ].数字技术与应用,2015(7):148.[5]㊀曹猛,孙永荣,王岩,等.开放式座舱显示系统关键技术研究与实现[J ].航空计算技术,2011,41(4):78-81.[6]㊀ARINC.ARINC Specification 661-4,Cockpit Display Sys-tem Interfaces to User Systems [S ].America :Aeronautical Radio ,INC ,2010.[7]㊀Cattell R.Scalable SQL and NoSQL Data Stores [J ].ACMSIGMOD Record ,2011,39(4):12-27.(上接第94页)[10]㊀张永康,李玉龙.鸟体力学模型仿真研究[J ].计算机仿真,2011,28(9):67-70.[11]㊀中国民用航空局.CCAR -91,一般运行和飞行规则[S ].北京:中国民用航空局,2004.[12]㊀朱书华.鸟撞飞机风挡动响应分析与仿真试验平台研究[D ].南京:南京航空航天大学,2009.[13]㊀贾建东.飞机典型结构抗鸟撞设计与分析[D ].南京:南京航空航天大学,2010.[14]㊀王文智,万小朋,郭葳.民机风挡结构抗鸟撞仿真分析与设计[J ].西北工业大学学报,2009,27(4):481-5.[15]㊀陈园方,李玉龙,刘军.典型前缘结构抗鸟撞性能改进研究[J ].航空学报,2010,31(9):1781-1787.[16]㊀王新军,岳珠峰,王富生.飞机风挡结构抗鸟撞动响应数值模拟[J ].强度与环境,2007,34(1):28-32.[17]㊀白金泽,孙秦.飞机风挡结构抗鸟撞一体化设计技术研究[J ].力学与实践,2005,27(1):14-18.[18]㊀简成文,李书.民机机头复合材料风挡结构鸟撞分析[J ].民用飞机设计与研究,2015(1):39-46.[19]㊀Eschenfelder P F.High Speed Flight at Low Altitude :Haz-ard to Commercial Aviation [R ].Texas :International BirdStrike Committee ,2005.[20]㊀方宝瑞.飞机气动布局设计[M ].北京:航空工业出版社,1997.。