- ANSYS在航空航天器电子产品中的应用解析

已有的实验证明，直径为2毫米的水滴，在750米/秒的速度下撞击马氏体钢，会使后者发生塑性变形。容易想象，一只重约250克的飞鸟，其相对飞行速度为100-300米/秒与飞机相撞，足以使飞机的挡风玻璃、机体、发动机叶片或外罩等严重变形或破碎，从而造成灾难，因此鸟撞问题一直是航空航天领域倍受关注的难题。

飞鸟在撞击结构的过程发生在很短时间内，一般为50毫秒左右，此过程中飞鸟肌体将发生流动变形和解体而四处抛洒，结构亦将产生大变形，甚至发生破坏，例如挡风玻璃破碎、机体穿透、发动机叶片断裂等。同时，结构的动态响应将在较长时间内持续发生，但令人感兴趣的时间段一般不超过100毫秒。

由于鸟撞整个过程在较短的时间内完成，一般物理实验费用昂贵而且难于提供足够的信息，因此，目前在对飞行器鸟撞研究时，采取方法是以应用有限元技术模拟鸟撞为主，并辅以物理实验。

有限元程序在模拟鸟撞时，必须具备的功能包括：

飞鸟物理材料的描述

飞鸟流动变形的描述

飞鸟与飞行器接触的描述

飞行器结构大变形和破坏过程的描述

当前，世界范围内对鸟撞进行分析广泛采用的工具为ANSYS/LS-DYNA。该程序是著名高度非线性有限元显式求解程序，主要用于分析结构在高速撞击、爆炸等动载荷下的动态响应，同时具有强大的流体功能，可进行流体－固体耦合分析。

飞鸟在高速撞击时将产生强大压力，足以使金属材料发生变形和破坏。在这样的变形条件下，飞鸟的材料呈流体。ANSYS/LS-DYNA中的飞鸟材料采用流体动力材料，此种材料除定义一般材料性质如密度、粘度外，附加的状态方程用于定义其流体属性，如可压缩性、飞鸟破碎参数等。

以前，人们在进行鸟撞问题分析或实验时主要关注结构（飞行器）的变形和响应，对飞鸟变形过程不够重视，但事实上撞击载荷的大小不仅决定于飞鸟的动能，还与其流动过程以及破碎的时间密切相关。即正确描述飞鸟的流动和破碎过程对整个分析至关重要。以前的研究对此认识有欠缺。ANSYS/LS- DYNA提供两种方式描述飞鸟的流动和破碎：LAGRANGE（或ALE）单元、EULER单元；LAGRANGE（或ALE）的变形能力很大，足以描述与结构分离前的变形，而EULER单元可正确描述任意程度的变形，在图3-6的鸟撞过程模拟中，飞鸟即采用的EULER单元描述。

图3-6叶片的鸟撞过程模拟

ANSYS/LS-DYNA在处理飞鸟与飞行器的接触过程中亦提供两种方式：1.当采用LAGRANGE（或ALE）描述时，使用结构/结构接触算法；2.当采用EULER描述时，采用流体/结构耦合算法。

对于结构（飞行器），可使用ANSYS/LS-DYNA附加破坏算法的结构材料，例如弹性破坏材料（挡风玻璃）、弹塑性破坏材料（叶片、发动机外罩）或可考虑失效的叠层复合材料（机体、机翼）等。

在最新发布的DYNA7.0版本中加入了光顺质点流体动力算法（smooth-particle-hydrodynamics（SPH）），这种方法的特点是以一组质点定义相应物质，由于没有有限元网格，更易于描述飞鸟的变形和破碎过程，这些质点描述的物质具有拉格朗日属性。图3-7的叶片鸟撞过程即采用的这种方法。

图3-7叶片鸟撞过程模拟

Boeing公司为GulfstreamAerospaceGVBusimessJet（GV型湾流豪华公务机）的机翼前缘多个部位进行鸟撞模拟。最初的机翼结构设计造成内部横梁断裂，改进后的机翼满足标准FAR25.571（e）和JAR25.631的要求，图3-8为鸟撞过程。

采用LS-DYNA分析鸟撞过程，已经是相当成熟的技术。在LS-DYNA的全球年会论文中，关于鸟撞的研究文章每年都占一定比例，这些研究中分析了包括机翼、发动机叶片、安全罩等部件的鸟撞过程。

图3-8GV型湾流豪华公务机机翼前缘鸟撞模拟