平板模拟叶片不同角度鸟撞响应数值研究

王小党 镇璐娜

摘要：针对航空发动机风扇叶片的抗飞鸟撞击设计需求，建立了钛合金平板模拟叶片受模拟鸟撞击的有限元模型，分析了不同撞击角度下叶片的动态响应特征变化规律。

关键词：风扇叶片;不同角度;鸟撞响应;数值模拟

0 引言

航空发动机风扇叶片在工作中非常容易受到飞鸟撞击而导致叶片受损，直接危害飞行器的安全运行[1]，而真实的鸟撞发动机试验费用十分昂贵[2]，因此，在试验前采用数值模拟方式，对叶片鸟撞响应进行多种工况的分析和预估具有重要意义。鸟撞击叶片时，鸟体和弯扭叶片间的相对作用位置随发动机转速和撞击速度变化而变化，可以将其简化为叶片前缘以不同角度受鸟体撞击和切割的工况。本文建立了平板叶片受不同角度鸟撞击的有限元模型，分析了不同的鸟撞击工况下叶片的动态响应变化规律，为叶片的抗鸟撞击分析提供依据。

1 平板模拟叶片鸟撞建模

在瞬态动力学分析软件LS-DYNA中，建立鸟撞TC4钛合金平板有限元模型。模拟叶片在夹持端加厚，以防止在叶片根部产生过大的集中应力，撞击段为矩形平板，长300 mm、宽100 mm，夹持段采用固定支架约束，平板采用六面体网格划分，撞击区域适当加密，平板力学性能采用文献[3]中的双线性塑性模型;模拟鸟采用长径比为2、直径40 mm的圆柱几何形状，采用SPH方法建立，鸟体力学性能参数采用文献[3]中弹塑性水动力本构模型与多项式状态方程描述。变化平板倾斜角度以模拟不同的撞击角度，共设计7组撞击角度，角度为20°～90°，鸟撞平板有限元模型如图1所示。

2 模拟鸟撞平板叶片过程

以45°撞击为例，鸟撞平板叶片的过程如图2所示。

0.06 ms时，鸟体接触平板前缘，撞击导致叶片前缘开始产生变形，鸟体被叶片前缘切割成两部分;0.6 ms时，鸟体因撞击损耗过半，传递给平板的能量导致叶片前缘变形达到最大，同时应力波使叶片前缘发生波浪形振动，进而在振动节线位置产生较大的应力;1 ms以后，鸟撞击过程结束，叶片进入持续振动状态，在本身阻尼作用下逐渐停止，叶片前缘保持一定残余变形;50 ms时，叶片振动基本停止，叶片前缘保持一定残余变形。

3 不同角度鸟撞叶片响应规律分析

3.1    叶片的能量变化

平板模拟叶片势能增量随鸟体不同入射角度变化情况如图3所示。由图3可知，叶片总体势能变化随鸟体入射角度变化的曲线呈开口向下抛物线形状，在鸟体入射角度为50°左右时，叶片的势能增量最大;当鸟体呈小角度或大角度入射时，叶片势能增量变小。

3.2    叶片前缘变形变化

平板模拟叶片的前缘最大变形随鸟体不同入射角度变化情況如图4所示。由图4可知，与叶片势能变化趋势类似，叶片前缘最大变形随鸟体入射角度变化的曲线同样呈开口向下抛物线形状，在入射角度为50°～55°时，前缘变形最大，在入射角度很大或很小时，叶片前缘变形变小，这是因为当鸟体大角度或小角度入射时，鸟体会因叶片前缘的几何变化而从前缘外侧或内侧滑动，使实际作用在前缘的鸟体质量减轻。

3.3    叶片最大应力变化

平板模拟叶片的最大应力随不同鸟体入射角度变化情况如图5所示。由图5可知，叶片最大应力与鸟体入射角度没有特别明显的关系，但从图中可见，全部撞击角度的叶片都进入了屈服状态，说明叶片受撞击部位或整体均可能出现局部残余变形和总体弯曲变形。

3.4    叶片最大塑性应变变化

平板模拟叶片的最大塑性应变随鸟体不同入射角度变化情况如图6所示。由图6可知，叶片最大塑性应变随鸟体入射角度变化的趋势为入射角度越大，最大塑性应变越小，这是因为叶片的最大塑性应变一般发生在前缘，当小角度撞击时，叶片前缘直接受鸟体长时间持续冲击，使叶片前缘的塑性应变变化程度较大，同时，鸟体的冲击使叶片前缘发生局部弯曲鼓包，塑性应变区在叶片前缘与主体间，变化程度不及前缘部分剧烈。

4 结语

本文建立了钛合金平板模拟叶片受模拟鸟撞击的有限元模型，分析了不同撞击角度下叶片的动态响应特征变化规律：（1）鸟撞叶片会导致叶片前缘的局部变形、受损，叶片吸收鸟撞能量，导致叶片整体变形、受损;（2）叶片前缘损伤程度随鸟体入射角度变化的曲线呈开口向下抛物线形状，入射角度为50°～55°时，损伤最大，入射角度为小角度或大角度时，损伤较小;（3）叶片最大塑性应变随鸟体入射角度变化的趋势为入射角度越大，最大塑性应变越小。

[参考文献]

[1] 关玉璞，陈伟，高德平.航空发动机叶片外物损伤研究现状[J].航空学报，2007，28（4）：851-857.

[2] 张永飞，贾宗芸，陈玮，等.某型涡轴发动机吞鸟试验及验证[J].航空发动机，2017，43（5）：62-68.

[3] 杨杰.风扇叶片鸟撞击响应及受损风扇气动性能分析方法研究[D].南京：南京航空航天大学，2014.

收稿日期：2020-07-06

作者简介：王小党（1988—），男，甘肃陇西人，硕士研究生，研究方向：航空发动机测试，航空发动机试验设施管理。