在翼板上使用Abaqus / Explicit進(jìn)行飛機(jī)與鳥(niǎo)群相撞事故有限元分析

2017-03-21  by:CAE仿真在線  來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

飛機(jī)與鳥(niǎo)群相撞事故造成飛機(jī)毀壞和日程延誤,每年耗費(fèi)美國(guó)航空業(yè)數(shù)百萬(wàn)美元。增加飛機(jī)抵抗鳥(niǎo)撞引起的損失的能力是減少這種費(fèi)用的一部分方法[1]。鳥(niǎo)撞擊測(cè)試實(shí)驗(yàn)是某些飛機(jī)部件設(shè)計(jì)的認(rèn)證過(guò)程的一部分。如果測(cè)試的子集可以用計(jì)算模擬代替,則可以降低原型測(cè)試的所帶來(lái)的成本。此外,在設(shè)計(jì)過(guò)程中可以把鳥(niǎo)撞擊抗性考慮進(jìn)去,從而增加認(rèn)證測(cè)試成功的可能性。在本技術(shù)簡(jiǎn)報(bào)中,我們描述了如何使用Abaqus / Explicit來(lái)評(píng)估翼板條的鳥(niǎo)撞擊性能。

鳥(niǎo)類撞擊,或空中動(dòng)物和人造飛行器之間的碰撞,可以對(duì)飛機(jī)產(chǎn)生巨大的影響。如[1]所述,世界航空工業(yè)承擔(dān)與鳥(niǎo)撞擊引起飛機(jī)損壞和飛行計(jì)劃中斷,產(chǎn)生巨大成本; 此外,1999年以前的民用和軍用鳥(niǎo)類撞擊事件造成200多人喪生。

為了確保安全,對(duì)飛機(jī)抗鳥(niǎo)類撞擊性的評(píng)估是飛機(jī)認(rèn)證過(guò)程的一部分。飛機(jī)制造商提供大量資源來(lái)開(kāi)發(fā)可以通過(guò)必需認(rèn)證測(cè)試的結(jié)構(gòu)。在圖1中,示出了SONACA使用的一些鳥(niǎo)撞測(cè)試設(shè)備。

準(zhǔn)確的模擬仿真允許設(shè)計(jì)過(guò)程將鳥(niǎo)類撞擊作為負(fù)載,減少所需的原型測(cè)試的數(shù)量,并最終增加成功通過(guò)認(rèn)證測(cè)試的信心。將模擬的鳥(niǎo)類穿透程度和組件損傷程度與實(shí)際測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較。

機(jī)翼縫翼和固定前緣的幾何模型在CATIA中創(chuàng)建。固定前緣包括在模型中作為軌道滾輪配件的支撐件,并且如果鳥(niǎo)穿過(guò)板條則檢查二次損傷。幾何模型通過(guò)Abaqus關(guān)聯(lián)界面從CATIA轉(zhuǎn)移到Abaqus / CAE。圖2顯示了完整模型的幾何形狀。本此分析著眼于處于完全縮回位置的縫翼; 然而,該模型也可以用于研究縫翼處于其他位置的情況。

材料損傷起始標(biāo)準(zhǔn)是延性類型。損傷演變基于有效的塑性位移,并且在達(dá)到最大退化時(shí),模型中的單元被刪除。

選擇線性Us-Up狀態(tài)方程(EOS)材料模型用于鳥(niǎo)類模型,因?yàn)槠湫袨榭梢员焕硐牖癁榱黧w動(dòng)力學(xué)。體積模量起執(zhí)行不可壓縮約束的懲罰參數(shù)的作用。同樣地,為“鳥(niǎo)”定義塑性和延性損傷。

機(jī)翼結(jié)構(gòu)包含40,000個(gè)S4殼元件。本案例使用標(biāo)準(zhǔn)的4磅鳥(niǎo)模型,包含3237個(gè)一階簡(jiǎn)化積分塊元素。鳥(niǎo)相對(duì)于翼板的取向如圖3所示。圖4示出了翼固定前緣的后視圖。兩個(gè)圖都刪除了一些部分,以獲得更好地視覺(jué)效果。在固定前緣建模約有500個(gè)緊固件,每個(gè)都有可塑性和失效標(biāo)準(zhǔn)。已經(jīng)進(jìn)行了單獨(dú)的研究以將緊固件模型校準(zhǔn)以符合在各種負(fù)載條件下的真實(shí)緊固件的變化。

鳥(niǎo)以184m /秒的初始速度撞擊結(jié)構(gòu)。沖擊點(diǎn)選擇在前緣的中心,在突出部分表面。速度和入射角是認(rèn)證測(cè)試規(guī)范的一部分,可以進(jìn)行調(diào)整。撞擊事件的持續(xù)時(shí)間為0.008秒。

在鳥(niǎo)撞擊期間發(fā)生的接觸是非常復(fù)雜的,因?yàn)橄嗷プ饔玫谋砻嬖谧矒暨^(guò)程中不斷變化。很難預(yù)測(cè)在沖擊期間在機(jī)翼結(jié)構(gòu)的面和邊緣之間發(fā)生的所有可能的相互作用情況。更加難以預(yù)測(cè)的是撞擊的鳥(niǎo)的碎片可能與機(jī)翼結(jié)構(gòu)的內(nèi)部接觸的位置。

Abaqus / Explicit中可用的通用接觸算法非常強(qiáng)大,適用于這種情況。使用它,我們只需要定義包含可能發(fā)生聯(lián)系的所有組件的接觸域即可。在仿真期間,算法自動(dòng)檢測(cè)哪些表面和邊緣發(fā)生接觸。

沖擊順序如圖5所示。在鳥(niǎo)撞擊位置的完全縮回的前板條和固定的前緣的橫截面是可見(jiàn)的。圖像順序分別為從左到右和從上到下。

在圖像序列的開(kāi)始,鳥(niǎo)撞擊板條表面,然后將其推到笛形管,并迫使它扁平抵靠板條翼梁。然后鳥(niǎo)撕裂板條表面并且穿透到板條腔中。板條梁然后被推到固定前緣上的D型突起蒙皮上,其然后塌陷到次級(jí)翼梁上。此時(shí),板條上的一些鉚釘已經(jīng)失效,并且當(dāng)鳥(niǎo)撞擊到板條腔中時(shí),板條蒙皮繼續(xù)顯著變形。當(dāng)肋板經(jīng)歷沖擊和稍微彎曲時(shí),結(jié)構(gòu)的峰值偏轉(zhuǎn)發(fā)生在大約2.75ms處。然后結(jié)構(gòu)反彈,并且失效的組件開(kāi)始從主結(jié)構(gòu)分離。

雖然存在一些塑性變形,但是在固定前緣的所有部件上或履帶支重輪支撐件上沒(méi)有觀察到失效,并且鳥(niǎo)沒(méi)有穿透主固定前緣。在這項(xiàng)研究中,鳥(niǎo)是用拉格朗日算法建模得到的,在模擬期間表現(xiàn)良好,因?yàn)閯h除機(jī)制防止單元變得過(guò)度扭曲。注意,當(dāng)單元被刪除時(shí),節(jié)點(diǎn)塊繼續(xù)影響結(jié)構(gòu)。這種處理使時(shí)間增量大小保持在合理的水平,并確保鳥(niǎo)的總質(zhì)量和動(dòng)量守恒。

沖擊后等效塑性應(yīng)變的等值線圖如圖6所示。原型試驗(yàn)的沖擊結(jié)構(gòu)如圖7所示。對(duì)Abaqus結(jié)果的進(jìn)一步分析表明,前翼梁沒(méi)有發(fā)生二次損傷。

緊固件上的結(jié)果可以通過(guò)在Abaqus / Viewer中查看所有失效的緊固件進(jìn)行分析,或者可以分別研究每個(gè)緊固件的失效模式。

成功使用Abaqus / Explicit模擬了飛機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)的板條上的鳥(niǎo)類撞擊事件。Abaqus / Explicit具有強(qiáng)大的損傷和故障建模能力,緊固件功能和通用接觸算法,是進(jìn)行這種高動(dòng)態(tài)非線性應(yīng)用的理想工具。雖然本應(yīng)用著眼于金屬材料,但是Abaqus / Explicit還可以進(jìn)行復(fù)合航空航天結(jié)構(gòu)的模擬。最后,通過(guò)提供準(zhǔn)確的模擬能力,Abaqus / Explicit使得將鳥(niǎo)撞擊負(fù)載包括在設(shè)計(jì)過(guò)程中得以實(shí)現(xiàn)。

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