鸟撞风挡Autodyn模拟说明

1. 基于ls-dyna的鸟撞飞机风挡有限元分析

飞机的鸟撞事故是一种突发性和多发性的飞行事故，轻则飞机受损，重则机毁人亡，飞机结构的抗鸟撞设计与分析已经成为飞机设计与安全飞行过程中必须要考虑的重要内容之一。随着计算机技术与有限元数值计算理论的发展，现在越来越多地采用数值计算的方法进行鸟撞分析并以此作为工程试验的导向，为飞机的安全飞行提供理论支持和对策。

软件选择：

本题资料中有源程序（见附件ls-dyna文件夹，其来源为白金泽编著，科学出版社出版《LS-DYNA3D理论基础与实例分析》一书所附光盘，其相关分析可参考该书第4章）修改k文件中的初始条件（*INITIAL_VELOCITY_GENERA TION）可模拟不同初速下撞击的效果。另使用autodyn进行了模拟，可以进行一下对比分析，并附上相关参考资料。其中1.pdf 为autodyn实例中鸟撞飞机机翼的模拟。

问题描述：

飞机风挡的参数多属机密，完全依据实际建模太过复杂，故采用文献中的数据建立简化模型，单元类型选用shell以简化模型加快求解速度。其强度模型采用双线性应变强化，其意义如图1。

图1 风挡的应力应变关系

对鸟的模拟目前也没有统一的模型，多采用Lagrange或SPH单元，其结构细节及形状不予详细考虑，采用均质模型，材料多用水（状态方程为冲击类型，强度不考虑）来代替，形状多用圆柱或椭球代替。本文采用圆柱加两个半球代替，替代材料为水，单元为SPH。

材料的各参数如表1：

表1. 材料参数

物体替代材料密度（g/cm3）杨氏模量

(GPa) 泊松比屈服强度

（MPa）

强化模量

（MPa）

风挡玻璃 1.19 3.13 0.43 80 272

鸟水 1.0

在模拟时风挡所需的其他力学参数可通过公式（各向同性弹性体）计算，剪切模量为1.09GPa，体积模量为7.45GPa

几何参数

采用mm-mg-ms单位制

风挡：

Shell，r1=200mm, r2=500mm, l=800mm; i=1~51, j=1~51;

厚度16mm

鸟：

SPH,

鸟头sphere, half, r=50mm, 位置Y=366mm，Z=300mm，11向为X

鸟体cylinder,whole, r1=r2=50mm, l=150mm, 位置Y=366mm，Z=150mm，11向为Z 鸟尾sphere, half, r=50mm, 位置Y=366mm，Z=100mm，11向为X

鸟重量约为1.7kg

监测点(gauge)位于风挡四周及碰撞部位，如图2所示：

图2. 模型及监测点

模拟控制：

初始速度：设置Init. Cond中velocity=75(75mm/ms=75m/s=270km/h)包含材料water 对part中Bird应用上述条件

风挡周边默认处于固定约束，不用设置

Interaction：Lagrange/Lagrange ---> Calculate即可

Control: 4000计算步，时间5ms

Output：save: 起始0, 终了4000, 步长100

模拟结果：

0时刻，位置（1，1）

各监测点结果表明在75m/s的速度下，风挡的有效变形过大，远超弹性限，风挡将失效破坏。表明所用风挡的材料参数过小，尤其是屈服强度过低只有80MPa，应选相应的实际参数，实际情形大约在140m/s（400~500km/h）的情况下风挡破坏。

各监测点有效应变如图3：

图3. 各监测点有效应变历程

其数据在autodyn/vel_75mps下Ident 0 - birdstrike01.uhs，该文件可用文本编辑器打开（最好用UltraEdit之类），然后可导入数据处理软件进行处理

Autodyn/vel_75mps/birdstrike.avi为其撞击过程的动画。

要得到详细的模拟过程，可将birdstrike_0.ad用autodyn（ANSYS13以上）打开，运行，得到birdstrike_100.ad, _200, _300, ..., .ad, 也可修改条件再运行。