在翼板上使用Abaqus / Explicit進行飛機與鳥群相撞事故有限元分析

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

飛機與鳥群相撞事故造成飛機毀壞和日程延誤,每年耗費美國航空業(yè)數(shù)百萬美元。增加飛機抵抗鳥撞引起的損失的能力是減少這種費用的一部分方法[1]。鳥撞擊測試實驗是某些飛機部件設計的認證過程的一部分。如果測試的子集可以用計算模擬代替,則可以降低原型測試的所帶來的成本。此外,在設計過程中可以把鳥撞擊抗性考慮進去,從而增加認證測試成功的可能性。在本技術簡報中,我們描述了如何使用Abaqus / Explicit來評估翼板條的鳥撞擊性能。

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

為了確保安全,對飛機抗鳥類撞擊性的評估是飛機認證過程的一部分。飛機制造商提供大量資源來開發(fā)可以通過必需認證測試的結(jié)構(gòu)。在圖1中,示出了SONACA使用的一些鳥撞測試設備。

準確的模擬仿真允許設計過程將鳥類撞擊作為負載,減少所需的原型測試的數(shù)量,并最終增加成功通過認證測試的信心。將模擬的鳥類穿透程度和組件損傷程度與實際測試結(jié)果進行比較。

機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,并且如果鳥穿過板條則檢查二次損傷。幾何模型通過Abaqus關聯(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。

材料損傷起始標準是延性類型。損傷演變基于有效的塑性位移,并且在達到最大退化時,模型中的單元被刪除。

選擇線性Us-Up狀態(tài)方程(EOS)材料模型用于鳥類模型,因為其行為可以被理想化為流體動力學。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”定義塑性和延性損傷。

機翼結(jié)構(gòu)包含40,000個S4殼元件。本案例使用標準的4磅鳥模型,包含3237個一階簡化積分塊元素。鳥相對于翼板的取向如圖3所示。圖4示出了翼固定前緣的后視圖。兩個圖都刪除了一些部分,以獲得更好地視覺效果。在固定前緣建模約有500個緊固件,每個都有可塑性和失效標準。已經(jīng)進行了單獨的研究以將緊固件模型校準以符合在各種負載條件下的真實緊固件的變化。

鳥以184m /秒的初始速度撞擊結(jié)構(gòu)。沖擊點選擇在前緣的中心,在突出部分表面。速度和入射角是認證測試規(guī)范的一部分,可以進行調(diào)整。撞擊事件的持續(xù)時間為0.008秒。

在鳥撞擊期間發(fā)生的接觸是非常復雜的,因為相互作用的表面在撞擊過程中不斷變化。很難預測在沖擊期間在機翼結(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。更加難以預測的是撞擊的鳥的碎片可能與機翼結(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,算法自動檢測哪些表面和邊緣發(fā)生接觸。

沖擊順序如圖5所示。在鳥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的。圖像順序分別為從左到右和從上到下。

在圖像序列的開始,鳥撞擊板條表面,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,其然后塌陷到次級翼梁上。此時,板條上的一些鉚釘已經(jīng)失效,并且當鳥撞擊到板條腔中時,板條蒙皮繼續(xù)顯著變形。當肋板經(jīng)歷沖擊和稍微彎曲時,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有觀察到失效,并且鳥沒有穿透主固定前緣。在這項研究中,鳥是用拉格朗日算法建模得到的,在模擬期間表現(xiàn)良好,因為刪除機制防止單元變得過度扭曲。注意,當單元被刪除時,節(jié)點塊繼續(xù)影響結(jié)構(gòu)。這種處理使時間增量大小保持在合理的水平,并確保鳥的總質(zhì)量和動量守恒。

沖擊后等效塑性應變的等值線圖如圖6所示。原型試驗的沖擊結(jié)構(gòu)如圖7所示。對Abaqus結(jié)果的進一步分析表明,前翼梁沒有發(fā)生二次損傷。

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

成功使用Abaqus / Explicit模擬了飛機機翼結(jié)構(gòu)的板條上的鳥類撞擊事件。Abaqus / Explicit具有強大的損傷和故障建模能力,緊固件功能和通用接觸算法,是進行這種高動態(tài)非線性應用的理想工具。雖然本應用著眼于金屬材料,但是Abaqus / Explicit還可以進行復合航空航天結(jié)構(gòu)的模擬。最后,通過提供準確的模擬能力,Abaqus / Explicit使得將鳥撞擊負載包括在設計過程中得以實現(xiàn)。

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