尾翼前缘结构抗鸟撞设计研究

孔令勇 李娜 吴志斌

摘要：运用SPH法對尾翼前缘结构的抗鸟撞能力进行了仿真计算，计算结果表明辅助梁发生塑性变形，局部有裂纹，前梁无损伤，满足设计要求。对计算结果分析发现，在受保护的零组件前增加吸能结构是有效的抗鸟撞设计方案，多级疏导也是一种有效的抗鸟撞设计方法。

关键词：鸟撞；SPH方法；吸能结构；多级疏导

引言

鸟撞是指鸟类与飞行中的人造飞行器、高速运行的列车等发生碰撞，造成伤害的事故。绝大多数鸟类都有体形小、质量轻的特征，因而鸟撞的破坏主要来自被撞击物的速度而非鸟类本身的质量。由于飞机相对高速列车的速度高的多，与飞鸟发生碰撞后造成的破坏更大，严重时会造成飞机的坠毁。在中国飞机由于鸟撞原因造成的飞行事故已占事故总数的1/3，在美国由于鸟击造成的经济损失每年6亿美元，因此鸟撞问题越来越引起人们的关注[1]。本文采用Pam-crash软件对尾翼前缘结构的抗鸟撞能力进行研究，发现在需要保护的零组件前增加吸能结构是提高抗鸟撞能力的有效方案。

1结构简介

尾翼前缘采用典型的蜂窝夹芯结构形式，在满足气动要求的前提下提高抗鸟撞能力，盒段采用典型的前后梁加肋的形式。依据CCAR-25-R4[2]的要求，尾翼结构必须承受8lb的鸟体撞击，仍能继续安全飞行和着陆，其它部位仅需满足4lb鸟体的撞击，因此，尾翼前缘抗鸟撞设计要求更高，难度更大。基于上述原因设计时在前缘与前梁之间增加了辅助梁以提高抗鸟撞能力，结构示意图见图 1。

2计算模型

2.1 鸟体模型

鸟撞问题属于典型的大变形问题，在分析中鸟体采用SPH算法，该方法可以避免鸟体在高速冲击时产生大的变形和分散飞溅致使计算终止。

鸟体的形状采用两端带半球形的圆柱体，鸟体的长度为半径的4倍。建模时首先在Pam-crash前处理中建立鸟体几何模型并将其离散为规则的solid单元，然后将solid单元转化为SPH粒子。鸟体的solid单元模型和SPH粒子模型见图 2。

2.2 结构有限元模型

建模时考虑到计算效率及结构设计要求，在鸟撞关心的前梁之前区域采用了较细的网格以模拟结构损伤，在非关心的盒段区域采用较粗的网格保证刚度等效即可，有限元模型见图 3。其中，蒙皮、肋以及梁采用shell单元模拟，蜂窝采用solid单元模拟，紧固件采用plink单元模拟。

3计算结果与分析

尾翼结构在遭受鸟体撞击时，鸟体首先与前缘发生撞击，使其发生穿透性破坏；然后鸟体撞击到辅助梁上使之发生塑性变形，局部有裂纹；最后鸟体散落在辅助梁之前没有接触前梁，前梁无损伤。鸟撞位置及结构损伤情况见图4。

由仿真结果可知，前缘在遭受鸟撞时极易发生破坏，而辅助梁对前梁起到了很好的保护作用，仅发生塑性变形，无穿透。这表明在前梁之前增加吸能结构是有效的抗鸟撞方式，这与CCAR-25.631的指导建议是匹配的。鸟体在撞击前缘和辅助梁时在完整性方面呈现不同的特征，在撞击前缘时较完整，而在撞击辅助梁时呈现发散状态，随着鸟体肢体的破离，对结构的损伤逐渐减弱。

4结论

本文采用Pam-crash软件对尾翼前缘结构抗鸟撞能力进行了研究，发现①在前缘与前梁之间增加吸能结构是一种有效的提高抗鸟撞能力的方案。②鸟体在发生多次撞击时，肢体破离，能量逐渐分散，对结构的损伤逐渐减弱，多级疏导也是一种有效提高抗鸟撞能力的方法。

参考文献：

[1]J.R.Allan.A Protocol for Bird Strike Risk Assessment at Airport.Proceedings of the 25th International Bird Strike Committee.Vol I，29-46，2000.

[2]《中国民用航空规章 第25部 运输类飞机适航标准 CCAR-25-R4》[S]. 中国民用航空总局.