接受考验

作者:Vijaykumar Rayavarapu,印度班加罗尔印度斯坦航空有限公司研发经理

过去判断复合材料飞机组件能否承受鸟撞的唯一方法就是非常耗时的物理测试。现在印度斯坦航空有限公司(HAL)的工程师使用仿真一次即可实现成功的设计。鸟撞仿真为该公司节省了设计时间以及复合材料直升机组件每次数千美元的测试费。

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Cowling deformation

Bird and helicopter cowling model 
 
使用拉格朗日整流罩模型的SPH鸟体模型

2014年四名美国空军在英国诺福克的一次训练任务中因乘坐的HH-60G“铺路鹰”直升机坠毁而丧生。美国事故调查委员会发现事故原因是大雁撞破飞机风挡,导致机长和副机长丧失意识。当另一只鸟撞到直升机机头,造成飞机的稳定系统失灵时,他们已不能做出反应。结果失去控制,发生坠机,造成价值4,000万美元的直升机被破坏以及人员丧生。这并非是一起孤立的事件。据美国农业部动物卫生检查局(APHIS)称,自1990年以来鸟类对军用和民用直升机的撞击已经导致11人丧生,61人受伤。[1]

为保护机组成员和乘客免受鸟撞带来的危险, 包括联邦航空管理局(FAA)和欧洲航空安全局(EASA)在内的监管部门已颁布了关于直升机承受鸟撞的能力的法规。例如联邦航空管理局的14 CFR 29.631法规现在要求A类旋翼飞机(最高认证标准,其中要求保证在发生故障的情况下能持续飞行)能够在鸟撞后持续安全飞行和着陆。鸟撞认证一直是一个耗时且成本高昂的过程,因为判断组件能否承受鸟撞的唯一途径是物理测试。测试一般需要重复多次,因为组件往往会失效,而且每个新设计都需要更换组件。HAL公司通过使用ANSYS Composite PrepPostANSYS Autodyn准确仿真鸟撞,显著降低了认证时间及成本。仿真能够高效确定合适的设计,这样每个组件只需要测试一次。

Simplified simulation of bird model into flat plate
 
鸟撞平板的简化仿真

仿真挑战

现代直升机上需要认证的组件(诸如整流罩、水平稳定器和端板),一般都是采用纤维强化复合材料制作而成。整流罩指用于覆盖接触区域的可拆卸面板,例如发动机、传动装置及其它关键系统。鸟撞仿真颇具挑战性的原因在于它的作用时间短,会造成材料严重变形,并涉及表面快速变化的多个实体之间的相互作用。为复合材料建模让仿真难度进一步加大,因为复合材料包含多层,每层有自己的材料、面积、厚度和方向。

为确定所用模型的有效性,HAL公司首先对一个能够轻松通过实验验证的简化案例进行了仿真。将物理测试结果与计算建立关联,以确认用于飞机的模型的有效性。鸟撞仿真包括一个撞击平板的理想化几何结构。鸟体模型分为两种,一种为两端扁平的圆柱体;另一种为两端为半球形的圆柱体。发生高速撞击的飞鸟的行为犹如一个极易变形的抛射物,其屈服应力远低于持续应力。基于这一点,同时因为鸟体的密度接近于水的密度,因此可以将鸟近似为一团击中目标的水。在Autodyn求解器中,运用光滑粒子流体动力学(SPH)方法进行分析,以避免与大范围网格扭曲有关的数值计算难题。分析结果与使用流体动力学理论计算的冲击压力的分析情况非常吻合。

定义复合材料几何结构

逼真地仿真认证测试需要为复杂复合材料结构建模。HAL公司将整流罩的几何结构导入到ANSYS Workbench环境中。整流罩由Kevlar?纤维表皮和蜂窝芯材组成。ANSYS Composite PrepPost用于定义材料层的数量和每层的形状、厚度和方向。对方板试样的压缩测试按ASTM标准进行,以确定芯材的属性。复合材料定义随后传输到有限元模型和求解器输入文件中。工程师使用ANSYS Composite PrepPost内部的材料本构模型可定义复合材料每层的材料属性,同时还支持添加合适的损伤初始条件和损伤演化。进一步的前处理在ANSYS Explicit STR中完成。来自ANSYS Composite PrepPost的复合材料定义通过ANSYS Workbench被无缝传输到Autodyn

Simulation strain plots
Simulation strain plots
 
仿真预测得到的有效应变图

ANSYS Autodyn显式求解器的一项关键优势在于:一个问题能够结合使用拉格朗日、欧拉、任意拉格朗日-欧拉(ALE)和SPH等多种方法来解决,从而在合理的计算时间内得到精度可能最高的结果。在本例中,SPH鸟体模型用于为飞鸟建模,而拉格朗日模型则凭借其高计算速度可用于代表整流罩结构。该模型设置用于匹配在研究设施中开展的鸟撞测试条件,包括对整流罩应用空气动力负载。工程师利用Autodyn在与物理测试中使用的整流罩的相同位置上定义虚拟应变仪。

Cowling deformation at various time intervals
 
不同时间间隔上的整流罩变形

“自1990年以来鸟撞军用和民用直升机已造成11人丧生,61人受伤。”

与物理测试关联

在每个单元内部,拉格朗日求解器采集离散模型的材料位置并跟踪在施加力后发生的变形。对于时长为4,000微秒的仿真,求解时间不足1小时。仿真能准确预测测试的基本参数以及受损位置和失效范围。

不同时间间隔的失效模式也与测试结果极为吻合。在冲击的初期阶段,复合材料结构的机械响应受纤维基材界面的控制。在冲击的中期阶段,当冲击波抵达面板-核心界面,在面板背部会开始产生一个负压区,造成这个区域中的纤维拉伸断裂。在冲击的后期阶段,面板正面相当大的面积上会承受负压,导致其结构失效。同时在围绕投射物顶部的整流罩部分观察到高应力。

这种关联研究充分证实,仿真能够预测高能量鸟撞造成的动态响应和结构失效。HAL公司现在可以使用经验证的模型来设计一款新型外部结构组件,该组件能一次性通过鸟撞认证测试。在HAL Dhruv先进轻型直升机的民用机型取得欧洲航空安全局认证的过程中,仿真避免了过去一般会要求的一两种附加测试,这不仅节省了时间,而且还节省了每个认证组件数千美元的测试费。

参考资料
[1] Keirn, G. Helicopters and Bird Strikes; Results from First Analysis Available Online. blogs.usda.gov/2013/06/06/ helicopters-and-bird-strikes-results-from-first-analysisavailable- online (12/17/2015).

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