Pamcrash在飞机鸟撞分析中的应用

Pamcrash在飞机鸟撞

分析中的应用

随着航空业的飞速发展，飞机的安全性始终是航空领域最为关键的议题之一。鸟撞飞机事件作为航空安全领域中不可忽视的威胁，对飞机的结构完整性和飞行安全构成了重大挑战。据统计，全球范围内每年都会发生数千起鸟撞飞机事件，其引发的后果从轻微的机体表面损伤到严重的飞行事故不等，不仅危及机上人员的生命安全，还会造成巨大的经济损失。因此，研究鸟撞现象、评估其对飞机的影响、并优化设计以减少鸟撞风险，已成为航空工程领域中的一个重要课题。

图1

飞机鸟撞

国产大飞机C919作为中国航空工业的重要里程碑，在抗鸟撞性能方面采取了多项措施和进行了严格的测试，以确保飞机的安全性和可靠性。为了深入掌握鸟撞对飞机的影响机制，提高国产大飞机在鸟撞冲击等极端场景下的安全性，商飞运用 Pamcrash[1]等软件，精确模拟飞机各部件在多种飞行姿态下承受鸟撞等多工况载荷时的应力应变分布，据此开展机体抗鸟撞新材料、新结构优化设计和工程应用，提升结构抗鸟撞性能。同时借助飞机结构材料动力学性能试验、典型结构试验数据，完成 Pamcrash动力学模型构建和模型验证，通过验证的动力学模型大大减少物理试验数量，极大提高设计和验证工作效率。

图2

C919大型客机

Pamcrash作为一个先进的有限元分析（FEA）工具，广泛应用于模拟碰撞、结构损伤和材料失效等复杂物理现象。在飞机鸟撞分析中，Pamcrash可以帮助工程师详细评估鸟撞对飞机结构的影响，提供重要的碰撞数据和损伤分析结果，可以帮助航空工程师设计更具抗撞能力的飞机，提高飞行安全。下面我们介绍下pamcrash在鸟撞分析中的应用。

Pamcrash鸟撞分析

鸟撞分析的核心目的是模拟飞机与鸟类之间的碰撞，评估鸟撞对飞机各部件（如机头、发动机进气道、机翼等）的影响。Pamcrash在飞机鸟撞分析中主要通过以下几个步骤进行工作：

1) 创建鸟体模型

Pamcrash提供的SPH算法用于鸟类的几何形状和物理特性建模，将鸟类视为一个三维物体，如图2所示。鸟类的质量、弹性、硬度和破裂特性通常基于实际数据或实验结果进行设置。鸟类的材质一般被建模为具有一定弹性和塑性的物质，以便模拟鸟类在碰撞过程中发生的变形和破碎。

鸟体的本构模型通过 Mornaghan EOS [2]定义。

图3

鸟类SPH模型

2) 飞机结构建模

飞机的结构需要被详细地建模，包括飞机机头、发动机进气道、机翼等部位。Pamcrash支持不同材料模型的使用，能够模拟飞机各部分在鸟撞过程中的反应，包括金属的塑性变形、复合材料的断裂等。

有限元模型：飞机的各个部件使用有限元网格（FE Mesh）进行离散化，以便对飞机结构在鸟撞过程中可能产生的变形和应力进行计算，如图3所示。

材料行为：Pamcrash能够模拟不同材料的力学行为，如弹性、塑性、损伤和断裂等。这对于分析飞机结构在鸟撞中受到的损伤非常重要。一般采用 Johnson-Cook 模型模拟金属材料应变率相关的应力应变关系，在Johnson-Cook 本构模型中，流动应力σ 可以表示为

图4

飞机结构有限元模型

3) 撞击力和冲击响应：在鸟撞事件中，鸟类的速度和撞击角度会对碰撞结果产生重要影响。Pamcrash会模拟鸟类与飞机结构接触时的冲击力，以及结构对这种冲击的响应。

损伤和破坏模式：Pamcrash能够识别并模拟飞机各部件的损伤模式，如局部变形、裂纹扩展、结构失效等。这为评估鸟撞后的结构完整性和飞行安全提供了关键信息。

图5

鸟撞过程模拟

4) 结果分析

通过对碰撞过程的仿真，Pamcrash可以提供详细的分析结果。这些结果包括：

变形与损伤：如飞机机头的损伤程度、发动机进气道的损伤情况、机翼的结构变化等。

应力和能量传递：分析鸟撞过程中的应力分布、能量吸收情况及可能的失效模式。这些信息对于评估飞机是否能继续安全飞行至关重要。

残余强度：在鸟撞后，Pamcrash能够预测飞机剩余的结构强度，帮助工程师评估飞机是否需要进行紧急维修或进行其他安全处理。

图6

鸟撞后仿真与实际变形对比

图7

鸟撞后实验与仿真复合材料

失效结果对比

鸟撞仿真结果的应用

Pamcrash的仿真结果可以为飞机设计和安全评估提供有力支持，具体应用包括：

结构设计优化：通过模拟不同类型的鸟撞事件，Pamcrash可以帮助工程师识别飞机设计中的薄弱环节，并进行优化设计，例如加固飞机机头、加强发动机进气道防护等，如图7所示。

图8

尾翼前缘鸟撞实验与模拟结果：

（a）原始尾翼前缘；

（b）新型尾翼前缘。

鸟撞防护标准的制定：航空管理机构根据Pamcrash的仿真结果，可以制定飞机抗鸟撞的标准和测试要求，确保新型飞机能够满足安全要求。

安全性评估与风险预测：基于鸟撞仿真，Pamcrash可以帮助评估飞行器在不同鸟撞情况下的安全性，预测潜在的飞行风险，并为飞行员提供有效的应急预案。

总结

鸟撞是航空安全中的一个重要问题，对飞机的结构完整性和飞行安全构成潜在威胁。Pamcrash作为一款有限元分析软件，在国产大飞机的开发中，特别是在抗鸟撞设计、材料模型验证以及结构设计优化方面，发挥了关键作用，为飞机的安全性能提供了重要的分析和评估工具。随着技术的进步，Pamcrash在鸟撞分析中的应用将更加广泛和深入，未来将持续助力国产大飞机开发，为我国航空事业迈向更高峰铺就坚实之路。