RADIOSS机头顶部壁板鸟撞分析：精准模拟与防护设计

行业：航空航天

挑战：在新机的研制中，根据适航规章要求，机头应进行抗鸟撞设计， 而机头结构的抗鸟撞设计一直困扰着飞机工程师

Altair 解决方案：利用 RADIOSS 领先的非线性动力求解技术，对新涡桨飞机机 头的顶部壁板结构进行鸟撞分析，根据鸟撞分析结果对初始设计方案中存在的设计缺陷进行 了改进设计，提高了机头顶部壁 板结构的抗鸟撞性能。

优点：精确模拟鸟撞过程 ；提高抗鸟撞性能 ； 为改进结构提供依据

背景介绍

鸟撞是发生在瞬时的高度非线性冲击动力问题，在此采用耦合法是建立鸟体模型 和结构模型，通过两者的接触部位的协调条件关联起来，求解出结构和鸟体的动力响 应，能够较为真实的模拟鸟撞过程中鸟体与结构间的相互作用，得到了广泛应用。

利用 RADIOSS 领先的非线性动力求解技术，对新涡桨飞机机头的顶部壁板结构进行鸟撞分析，根据鸟撞分析结果对初始设计方案中存在的设计缺陷进行了改进设计，提高了机头顶部壁板结构的抗鸟撞性能，为新涡桨飞机机头结构方案选型提供了分析依据。    

挑战

在新机的研制中，根据适航规章要求，机头应进行抗鸟撞设计，而机头结构的抗鸟撞设计一直困扰着飞机工程师，早期飞机的抗鸟撞研究是从试验开始的,随着计算机技术与有限元数值计算理论的发展,鸟撞动响应分析方法的研究日益成熟并得到广泛应用，形成了以鸟撞动响应分析与试验相结合的方法来进行飞机抗鸟撞设计，不但提高了工作效率，缩短了新机的研制周期，又降低了研制成本和风险。

目前，采用耦合法进行鸟撞分析时，可选取鸟体模型包括Lagrange模型、Euler 模型、ALE模型和SPH模型四种。SPH是一种无网格算法，是把物理流场用一定速度的集中质量点来描述，每个质量点作为该流场的插值点，问题的解通过这些质点的规 则插值函数来得到，守恒方程用质点内力来表达，可以直观的模拟鸟体的抛洒现象。这种鸟体模型适宜处理大变形和大位移问题，且十分容易模拟由多种材料组分（如血、肉、骨骼等）构成的鸟体，且数值模拟计算特别稳定。

SPH鸟体粒子模型共计10564个节点，重量为1.8Kg。

解决方案

在HyperMesh中建立顶部壁板结构初始设计有限元细节模型。所有结构件均采用壳单元，用弹簧单元和固连接触方法 模拟结构铆钉连接，弹簧单元一端与外框缘（或长桁）建立固连接触，另外一端与蒙皮建立固连接触关系。使用RADIOSS 里/INTER/TYPE7定义鸟体与结构及结构之间的接触关系。

   方案 1 ：选取顶部壁板结构迎风面大于 15°的蒙皮中心和主梁 4 个危险点部位进行抗鸟撞分析。

鸟撞击位置1时鸟体粒子击穿机身蒙皮，且顶部壁板第一个框被冲断，约一半鸟体粒子击穿蒙皮进入驾驶舱；鸟撞击位置 2时鸟体粒子击穿机身蒙皮，约一小半鸟体粒子击穿蒙皮进入驾驶舱；鸟撞击位置3时鸟体粒子击穿蒙皮，有很小一部分鸟 体粒子击穿蒙皮进入驾驶舱；鸟撞击位置4时鸟体粒子未击穿蒙皮，无鸟体粒子击穿蒙皮进入驾驶舱。由以上仿真分析发现， 方案1顶部壁板结构不满足适航条款对结构抗鸟撞的要求。

方案 2： 选取顶部壁板结构迎风面大于 15°的蒙皮中心和主梁 5 个危险点部位进行抗鸟撞分析。

鸟撞击位置1时鸟体粒子击穿机身蒙皮，并且顶部壁板第一个框被冲断，约一半鸟体粒子击穿蒙皮进入驾驶舱；鸟撞击 位置2～4时鸟体粒子未击穿蒙皮，鸟体粒子未进入驾驶舱。由以上仿真分析发现，方案2顶部壁板结构不满足适航条款对结构抗鸟撞的要求。

方案 1 与方案 2 抗鸟撞分析结果比较 方案1承受鸟撞载荷时，鸟撞位置1、2、3处结构均失效，有鸟体粒子击穿蒙皮进入驾驶舱，这三个部位初始设计不满 足设计要求；鸟撞位置4时鸟体粒子未击穿蒙皮，没有鸟体粒子进入驾驶舱，该部位初始设计满足设计要求。

方案2承受鸟撞载荷时，鸟撞位置1处结构失效，有鸟体粒子击穿蒙皮进入驾驶舱，该部位初始设计不满足设计要求； 鸟撞位置2～5时鸟体粒子未击穿蒙皮，鸟体粒子未进入驾驶舱，该部位初始设计满足设计要求。

改进的设计方案 根据分析结果，顶部壁板结构初始两个设计方案在承受鸟撞冲击载荷时，均发生严重破坏，且部分鸟体粒子均进入驾 驶舱，不能满足结构抗鸟撞要求，考虑到结构承载效率和设计成本，为提高顶部壁板结构抗鸟撞性能，对初始结构进行改 进，得到如下图示的三种顶部壁板改进的设计方案，对改进后顶部壁板的三种设计方案再次进行结构抗鸟撞分析。

对比改进后方案一和方案二，在鸟撞位置 1、2 处，鸟撞结果非常一致，但是在鸟撞位置 3 处，方案一出现了蒙皮破 损，部分鸟体粒子进入了驾驶舱，方案二顶部壁板结构未发生破坏，方案一存在潜在的危险。

对比改进后方案二和方案三，在鸟撞位置 1 处，方案三壁板骨架框和长桁受到了较为严重的压垮和撕裂破坏，主要原因是天窗骨架整体刚度增大，在撞击时周围骨架吸收的能量变少，而 6 框位于鸟撞方向的正前方，此时 6 框承受了更多的 能量，从而导致 6 框破损比方案二严重，方案三潜在危险比方案二更大。

综上对比分析，方案二的结构抗鸟撞性能更为理想。

结论

利用 RADIOSS 求解器对新涡桨飞机机头顶部壁板结构选取了多个危险位置进行了初步鸟撞分析，通过分析知机头顶 部壁板结构初始设计方案结构选材、结构布置均存在设计缺陷，不能满足结构抗鸟撞要求，根据鸟撞分析结果对初始设计 方案中存在的设计缺陷（结构选材、结构布置）进行了改进设计，提高了机头顶部壁板结构的抗鸟撞性能，为新涡桨飞机 机头结构方案选型提供了分析依据。  

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