图1㊀美国1990-2014年造成损害的鸟撞民用飞机数大型民用飞机风挡鸟撞的适航分析与数值仿真陈佳慧,胡宇群,陈㊀川(南京航空航天大学民航学院,江苏南京211100)摘㊀要:鸟撞一直都是航空安全的隐患,对此需要有相应的适航条款来表明民用飞机相关部件的抗鸟撞性能符合要求㊂针对风挡鸟撞问题现状,分析了目前民用飞机鸟撞适航验证的方法和手段,对比研究了不同鸟撞数值模型,通过计算机辅助设计软件建立了某型民用飞机风挡三维几何模型,采用显式非线性数值分析软件ANSYS /LS -DYNA 进行风挡鸟撞过程的数值仿真分析,以期为大型民机风挡鸟撞适航验证提供更有效的方法和手段,提高适航验证工作效率,降低工作成本㊂关键词:符合性验证;适航;鸟撞;飞机风挡中图分类号:V214.1;V244.1㊀㊀㊀文献标识码:A㊀㊀㊀文章编号:1671-654X (2016)04-0091-04Airworthiness Analysis and Numerical Simulation of Bird Impacton Large Civil Aircraft WindshieldCHEN Jia-hui ,HU Yu-qun ,CHEN Chuan(College of Civil Aviation,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 211100,China)Abstract :Bird strike is a major threat to aircraft windshields and need a certification requirement for a proven level of impact resistance.Apart from costly bird strike experiments ,explicit numerical modeling techniques have been employed.This paper summarized the current airworthiness verification methods of bird strike ,compared the different bird strike analysis models.With the help of Computer Aided Design software ,established a three -dimensional geometric model of a certain type of civil aircraft windshield ,and the simulation of the dynamic process of bird impacting windshield is run using the nonlinear explicit finite element code ANSYS /LS -DYNA.The solution of analysis presents the theoretical basis for the airworthi-ness certification methods of bird strike windshield ,in hope of improving the efficiency of airworthiness ver-ification work and reducing the cost.Key words :compliance verification ;airworthiness ;bird strike ;windshield引言随着航空运输业的快速发展,飞机数量和飞行架次快速增长,加剧了有限空域中飞机与鸟类对生存空间的竞争㊂此外,鸟类体积较小而现代民用飞机的飞行速度较大,飞行人员以及飞鸟互相难以在安全距离内及时发现并规避对方,使得飞机鸟撞事件目前还难以从根本上杜绝㊂图1所统计的数据[1]也表明了飞机鸟撞事件的数量长久以来并未得到有效降低㊂鸟撞问题一直困扰着航空安全,给航空产业带来了巨大的经济损失,据统计,鸟撞带来的飞机损失㊁维修以及航班延误等所造成的经济损失保守估计每年要达19.3亿美元[1-2]㊂由于鸟撞对航空安全的威胁以及可能导致的巨大经济损失,各国民用航空管理部门制定了一系列民用航空器的抗鸟撞适航审定条款,要求民用飞机在受到一定重量的飞鸟撞击后仍能够安全地完成一次飞行㊂对于民用飞机抗鸟撞的适航要求,需要从其设计开始就予以考虑㊂在设计阶段,目前对飞机抗鸟撞能力一般采用经㊀收稿日期:2016-05-23㊀㊀㊀修订日期:2016-06-26㊀作者简介:陈佳慧(1991-),女,江苏常熟人,硕士研究生,主要研究方向为适航技术与管理㊂第46卷㊀第4期航空计算技术Vol.46No.42016年7月Aeronautical Computing TechniqueJul.2016验法进行初步分析,而在审定过程中常采用全尺寸鸟撞试验来验证对相关条款的符合性,但是全尺寸的鸟撞试验需要较高的成本和较长的周期[3]㊂随着计算机技术的飞速发展,有限元等数值分析方法及其软件逐步发展成熟,并在航空领域得到广泛应用,这为民用航空器鸟撞的适航符合性验证提供了数值仿真分析手段㊂通过分析现有的计算机数值仿真手段,研究对比不同鸟撞分析模型,构建能够适用于分析民用飞机风挡鸟撞的适航符合性验证手段,将有助于提高大型民用飞机风挡对相关鸟撞适航条款符合性验证工作的效率㊂本文通过计算机辅助设计软件建立某大型民用飞机风挡三维几何模型,采用显式非线性数值求解工具ANSYS/ LS-DYNA进行风挡鸟撞过程的数值仿真分析,以期能为大型民机风挡鸟撞适航所需的试验和计算分析提供更有效㊁更系统的方法和手段,提高适航验证工作效率,降低工作成本㊂1㊀民用飞机鸟撞适航验证方法民用飞机适航具有过程完整性的特点,它指包括从飞机设计㊁制造㊁使用㊁维修到退役整个飞机寿命里飞机都满足适航的要求㊂设计阶段分析飞机抗鸟撞能力采用的计算分析方法普遍假设鸟体在撞击路径上是连续的,并且省略了飞机结构上不与鸟体发生撞击的部件,这样虽然简化了计算,但由于实际受鸟撞部位的结构边界约束条件等与计算分析模型存在差异,往往使得最后的结果偏保守㊂而对于民用飞机的合格审定,FAA和EASA都要求做全尺寸的试验来确定飞机风挡㊁机翼等有抗鸟撞要求的结构满足标准㊂这类工程试验通常都需要耗费大量的人力物力,在一次风挡研制过程中,可能需要进行上百次的全尺寸鸟撞试验[4]㊂有限元等数值方法为鸟撞问题的分析提供了一种新的途径,这种方法先通过数值分析法来准确地模拟鸟撞事件,包括模拟飞机结构破坏的过程以及相邻结构间的载荷作用,通过应力㊁应变㊁位移等诸多数值结果对鸟撞进行分析,再由试验作进一步验证㊂这种方法有很多的优势:1)由于这种数值仿真分析是经过试验验证的,具有很高的精准性和权威性,可以大大降低设计的保守性;2)可以对鸟撞进行大范围的撞击位置㊁撞击情况的仿真,从而提高结构的安全性;3)可以精确地计算结构间的载荷作用,从而设计出更优良的连接装置和传动装置;最后,通过数值仿真可以有效减少试验的次数,降低审定成本和时间㊂近年,随着大型民用飞机投入到研发生产中,民机的适航审定工作成为关注的重点㊂在有限元数值分析法及其软件逐步发展的基础上,民用飞机鸟撞适航验证工作要求对飞机进行结构安全分析㊁系统安全分析以及鸟撞动力学分析,并与鸟撞验证试验相结合,通过数值分析有针对性地明确民机验证过程中应考虑的部位以及各部位的验证方法㊂通过反复多次数值分析与试验验证得到最优的模型参数,并对初始飞机设计下不符合鸟撞要求的部位进行再设计,从而使得最终的结构满足适航要求㊂鸟撞风挡问题不是一个简单的数值分析问题,它需要将验证试验和数值分析紧密结合起来,是一个复杂的工程实际问题,需要考虑诸多的因素㊂在数值分析中,模型的简化方式㊁参数的设置㊁材料失效模式的定义㊁接触碰撞的形式㊁网格的划分等等都可能影响最终分析结果的准确性㊂而解决这些问题的方法,需要通过试验与数值分析相结合,不断尝试,不断修正的形式㊂在这方面,国外已经积累了较多的经验,并有了较为成熟和细节化的鸟撞验证方法体系,而国内还处在摸索阶段,有许多问题尚待解决㊂鸟撞适航要求同适航审定方法一样经历了一个发展㊁完善的过程,对于大型民用飞机风挡抗鸟撞的适航要求目前主要包括:CCAR/FAR25.571(e)(1)[5-6]对结构损伤容限(离散源)的评定,CCAR/FAR25.775[5-6]对风挡和窗户的适航要求㊂此外,在国军标[7-8]中也有对抗鸟撞设计和鸟撞试验的要求及指导㊂2㊀民机风挡鸟撞数值模型及分析2.1㊀鸟体模型鸟体本构关系及其参数的确定是数值分析中的关键㊂在撞击过程中鸟体的力学性质从低速到高速是变化的,一般情况下,鸟体组织的力学性能在低速下是不均匀的,而随着速度的增加,这种不均匀性慢慢可以被忽略,鸟体可以被看作是介于流体和固体之间的一种状态[9]㊂常用的鸟体模型有塑性动力学材料模型㊁状态方程材料模型㊁流体材料模型㊂张永康㊁李玉龙[10]对以上3种鸟体材料模型进行了力学仿真研究,得出鸟撞击速度低于100m/s时,采用带失效的塑性动力学材料模型描述鸟体较合理;而鸟撞击速度高于100 m/s时,鸟体的仿真宜采用状态方程来描述㊂考虑到鸟撞主要发生在起飞降落和较低的飞行高度上,而民用飞机的速度根据CCAR91.117[11]规定在距机场中心7.5km范围内,离地高度2500ft(750m)以下,飞机最大速度不能超过200kt(103m/s),所以可以采用塑性动力学材料模型㊂常用的鸟体躯干简化形状有圆柱体㊁两端带半球的圆柱体和椭球体㊂朱书华[12]㊁Meguid[9]㊁Bheemred-dy[3]等人分别都对鸟体形状进行了研究,发现两端带半球的圆柱体鸟体仿真得到的结果与试验所得的结果㊃29㊃㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀航空计算技术㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第46卷第4期表1㊀鸟体材料参数密度/kg/m3弹性模量/MPa屈服应力/MPa泊松比失效应变切线模量/MPa长度/mm直径/mm质量/kg 9251000010.3 1.255228114 1.8最为接近,故本文采用两端带半球的圆柱体作为鸟体㊂常用的鸟体密度一般在900~950kg/m3之间[12-16],取其中间值作为本文的鸟体密度,鸟体的其他参数在众多文献中基本一致,具体如表1所示㊂国军标规定,鸟撞试验中的鸟弹长径比为2:1,结合鸟体质量㊁密度和形状,可以得出鸟体总长度L为228mm,直径D为114mm,与试验及标准所需的鸟体要求一致㊂2.2㊀风挡模型典型的风挡结构一般由风挡玻璃㊁支撑结构以及玻璃与支撑结构间的橡胶垫片组成[12]㊂由于鸟撞风挡的数值分析主要关心的是风挡玻璃受撞击后的动响应和失效模式,所以在建模时,一般都对风挡进行简化,省去支撑结构㊁橡胶垫片等模型,而对风挡玻璃建立相应的边界条件㊂白金泽㊁孙秦[17]研究了风挡边界条件对鸟撞风挡动响应分析结果的影响,得出风挡四周完全固支与完全铰支条件下计算所获的位移㊁应变曲线基本相同,并与试验结果较为相符,所以为了简化计算一般对风挡采用四周完全固支的边界条件㊂根据文献[18]风挡玻璃采用YB-3航空有机玻璃,厚度为15mm㊂考虑到YB-3航空有机玻璃材料特点,选用LS-DYNA中的塑性动力学材料模型来模拟,具体材料参数[18]见表2㊂简化后的风挡材料应力-应变由两段直线描述,鸟撞过程中,在材料发生塑性屈服前,应力-应变由第一段直线描述,此时应力的增加与弹性应变成正比;在材料发生塑性屈服后,应力-应变由第二段直线描述,此时应力的增加与总应变成线性关系;当材料应变值达到失效应变时,材料则发生失效,失效单元被删除㊂因此,风挡玻璃是否破坏的判据是其应变值是否达到失效应变,即εȡεb㊂表2㊀3#航空玻璃材料参数密度/kg/m3弹性模量/MPa 屈服应力/MPa失效应力/MPa泊松比失效应变切线模量/MPa1190315068780.350.067237 2.3㊀鸟撞工况我国民用飞机鸟撞事件80%是发生在飞机起飞㊁爬升和进近㊁着陆阶段,民机在起飞㊁降落时的飞行速度约为0~100m/s[13]㊂由于鸟撞容易发生在起飞和降落阶段,一般要求在10000ft(3048m)海拔高度以下飞机的最大速度不能超过250kt(128.6m/s),在2500ft(750m)海拔高度以下不能超过200kt (103m/s)[11,19]㊂基于适航条款㊁实际飞机飞行速度㊁以及数值分析中风挡破坏和尚未破坏时动响应的差别,为了便于比较分析,可以采用250kt以下且风挡尚未破坏时的速度作为鸟撞速度㊂风挡的几何构造并不是对称的,所以鸟撞对风挡不同区域的撞击危害影响程度可能会有差异,为了减少全尺寸试验时不必要的试验次数,可以通过数值分析法对风挡的不同撞击区域进行仿真测试,确定最危险的撞击点,为此本文将风挡的撞击部位分为5处,分别是风挡中心㊁风挡左上方中心㊁风挡右上方中心㊁风挡左下方中心和风挡右下方中心㊂飞机风挡在安装时有一定的安装角度,一般在25ʎ~37.5ʎ之间[20],为了分析不同撞击角度对风挡危害的影响程度,同时考虑到飞机的安装角度和鸟撞可能出现的角度,对风挡中心进行了30ʎ㊁45ʎ㊁60ʎ㊁75ʎ和90ʎ五种角度的数值分析㊂图2为某民机风挡受鸟撞的视图,在数值分析时简化了模型,只分析其中一块主风挡受鸟撞的情况㊂图2㊀鸟撞风挡视图3㊀计算结果与分析3.1㊀撞击角度分析图3是通过数值仿真得到的不同角度撞击风挡中心撞击点的位移图,从图中可以看出,随着撞击角度的增大,撞击点处的位移也增大,且位移增大的幅度逐渐减小,表明随角度的增加,角度变化对风挡撞击的危害影响区别减小,故在正撞击鸟撞试验中,可以允许鸟撞角度在可接受范围内有微小偏差,这与鸟撞试验的要求也相符㊂3.2㊀撞击位置分析图4为风挡不同撞击位置撞击点处的位移,可以看出风挡正中心受撞后的位移远大于四个角落中心点的位移,并且四个角落中心点上的位移基本相同㊂图5为不同撞击位置撞击点在撞击方向上的应变,在前4ms中,风挡左上和右上中心点处的应变最大值大于风挡左下和右下中心点处的应变最大值,分别为㊃39㊃2016年7月陈佳慧等:大型民用飞机风挡鸟撞的适航分析与数值仿真㊀㊀㊀㊀㊀0.00748和0.00701,而风挡正中心的应变最大值最小;在4ms 以后,风挡四个角落中心点的应变值变小,而风挡正中心的应变值显著变大,最大值达到了0.0086㊂综合位移和应变来看,风挡正中心为受到鸟撞后最危险的部位㊂图3㊀不同角度撞击风挡中心撞击点的位移图4㊀不同撞击位置撞击点的位移图5㊀不同撞击位置撞击点的撞击方向应变4㊀结论鸟撞适航验证试验是飞机取得适航证不可缺少的一个环节,但是全尺寸的鸟撞试验会耗费大量的人力物力,所以采取有限元数值分析和鸟撞验证试验相结合鸟撞适航验证方法,由仿真结果为试验提供支持,一定程度上减少不必要的破坏性试验,提高审定效率㊂本文通过有限元数值分析,得到了以下几点结论,为鸟撞试验提供参考:1)随着撞击角度的增大,撞击点处的位移增大,对风挡造成的危害也就变大,所以可以选取正撞击作为鸟撞试验角度㊂2)在正撞击附近角度微小的变化造成风挡撞击点位移的区别很小,表明在正撞击鸟撞试验中,可接受范围内角度微小的偏差对鸟撞试验结果的影响并不是很大㊂3)综合考虑位移和应变,风挡正中心为受到鸟撞后最危险的部位,在鸟撞验证试验中应当着重考虑㊂参考文献:[1]㊀Edward C Cleary ,Richard A Dolbeer ,Sandra E Wright.Wildlife Strikes to Civil Aircraft in the United States1990-2014[R ].Washington D C :Federal Aviation Administra-tion ,National Wildlife Strike Database ,2015.[2]㊀John R Allan ,Alex P Orosz.The Costs of Birdstikes to Com-mercial Aviation [C ]//Calgary :Environmental Health and Protection Commons ,2001.[3]㊀Bheemreddy V P ,Chandrashekhara K ,Thomas P Schuman.Finite Element Modeling of Bird Strikes and Parametric Eval-uation using Design of Experiments (DOE )[D ].Rolla :Mis-souri University 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