航空發(fā)動機第1級風(fēng)扇葉片鳥撞研究

馬力，姜甲玉，薛慶增

（1.海軍駐沈陽地區(qū)發(fā)動機專業(yè)軍事代表室，沈陽 110862；2.海軍駐長春地區(qū)航空軍事代表室，長春 130000）

0 引言

鳥撞指鳥類與飛行器等發(fā)生碰撞，造成飛行事故[1-2]。隨著航空技術(shù)的發(fā)展，鳥撞事件呈增加的趨勢[3-4]。由于發(fā)動機風(fēng)扇葉片處在最前端，屬較易受鳥撞擊的部位，因此對其進(jìn)行抗鳥撞研究具有重要意義[5]。早期的鳥撞研究主要以試驗為主，隨著計算機技術(shù)以及有限元數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)多采用計算機模擬方法[6-12]。文獻(xiàn)[13]以某型直升機主槳葉為例，使用瞬態(tài)動力學(xué)分析軟件（MSC Dytran），采用流固耦合算法對鳥撞過程進(jìn)行數(shù)值模擬；文獻(xiàn)[14]則利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，分別采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和RBF徑向機網(wǎng)絡(luò)2種方式建立預(yù)測模型，通過實際觀測數(shù)據(jù)對訓(xùn)練好的鳥撞模型做仿真預(yù)測；文獻(xiàn)[15]基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對鳥撞飛機風(fēng)擋反問題進(jìn)行研究，取得了良好效果。

本文分析了在鳥體撞擊旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下第1級風(fēng)扇不同葉片位置的概率，建立了鳥體撞擊葉片的有限元模型，確定了重點分析部位。并分析了發(fā)動機第1級風(fēng)扇葉片鳥體撞擊損傷。

1 鳥撞擊葉片不同位置概率

1.1 鳥體飛向葉片不同部位概率

按照國軍標(biāo)要求，采用密度為910kg/m3、直徑為89mm、直徑和長度比為1∶2的材料制成模擬鳥。

由于不同半徑圓環(huán)面積不同，鳥飛向進(jìn)氣道不同半徑高度的概率也不同。針對模擬鳥，將圓環(huán)面積按半徑等分成3部分，分別表示葉尖區(qū)域、葉中區(qū)域和葉根區(qū)域。假設(shè)鳥飛向風(fēng)扇進(jìn)氣口，且飛向任何部位的概率都一樣，則鳥飛向葉尖、葉中和葉根區(qū)域的概率Pfj、Pfz、Pfg為

式中：Syj為葉尖區(qū)域面積；Syz為葉中區(qū)域面積；Syg為葉根區(qū)域面積；Sq為整個葉片區(qū)域面積。

1.2 鳥體穿過支板間隙概率

由于風(fēng)扇前有進(jìn)氣支板，因此鳥撞擊發(fā)動機時，可能先撞擊到進(jìn)氣支板上，通過支板間的空隙才能撞擊到風(fēng)扇葉片上。在不同徑向高度，鳥體通過支板的概率不同。

定義某處撞擊半徑為R，此處支板間隙為L，二者關(guān)系為

定義鳥體直徑為D，則鳥體穿過半徑R處支板間隙的概率Pc為

針對鳥體，得到不同徑向高度，鳥體通過支板的概率如圖1所示。

圖1 不同徑向高度鳥體通過支板的概率分布

圖1中鳥體穿過葉尖部位支板間隙的概率約為50%，穿過葉中部位支板間隙的概率約為30%，在根部位置，由圖1中的曲線可以推知，穿過概率數(shù)值小于0，即表示不可能穿過葉根位置的支板間隙。計算中，鳥體直徑為模擬鳥直徑，而實際鳥體直徑應(yīng)大于模擬鳥直徑，同時支板后還存在可調(diào)導(dǎo)向葉片，因此在實際情況下穿過支板間隙的概率比計算值更低。

1.3 鳥撞擊風(fēng)扇某處的概率

鳥如果要撞擊風(fēng)扇葉片某半徑處，首先需要飛向此處，然后穿過支板后撞擊到風(fēng)扇葉片上，因此鳥撞擊半徑R處的概率P為

取各區(qū)域半徑的中值表示撞擊區(qū)域，葉尖、葉中和葉根半徑Rj、Rz和Rg，及鳥撞擊葉尖、葉中和葉根概率 Pj、Pz和 Pg為

綜上，鳥體穿過根部支板間隙撞擊風(fēng)扇葉片根部的概率很小，最可能撞擊的部位為風(fēng)扇葉尖部位，對此下文將重點分析。

2 確定風(fēng)扇葉片損傷最大的位置

理論分析表明，撞擊損傷與撞擊模型有關(guān)，但不能通過定性分析給出撞擊危險部位，需要針對具體撞擊模型，通過數(shù)值模擬分析才能確定。因此，針對同一撞擊模型，分別對撞擊葉尖、葉中和葉根3種部位進(jìn)行數(shù)值模擬，對損傷進(jìn)行對比分析，確定發(fā)動機風(fēng)扇較危險撞擊部位。

分析過程中葉片榫頭與輪盤榫槽部位、葉片緣板、葉片葉身和葉片凸肩之間按接觸處理，輪盤槽底以下部分定義為剛體，約束除轉(zhuǎn)動自由度外的其他自由度。所建計算模型如圖2所示。

圖2 有限元計算模型

模擬鳥撞擊風(fēng)扇葉片葉尖、葉中、葉根部位，得到撞擊后風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片塑性變形如圖3所示。在模擬計算過程中，除撞擊部位不同外，其他參數(shù)相同。

圖3 鳥撞擊不同位置的塑性變形

通過數(shù)值模擬得到發(fā)動機風(fēng)扇葉片撞擊不同位置后的損傷情況，具體見表1。

表1 撞擊不同位置的損傷

分析表1可知，通過撞擊后造成的損傷對比分析，撞擊葉尖和葉中時損傷更大，可能導(dǎo)致前緣掉塊、撕裂裂紋和凸肩搭接。

3 風(fēng)扇轉(zhuǎn)子鳥撞擊損傷分析

基于沖擊計算軟件平臺，采用動力學(xué)分析有限元計算方法分析鳥體撞擊葉片過程和鳥撞損傷程度。此材料模型沿殼體單元厚度方向可以使用不同性質(zhì)的鋪層，每層可以分別定義材料參數(shù)和失效模式。葉尖部位為撞擊部位，針對狀態(tài)1～4，1只鳥撞擊速度分別為120、143、181、195m/s。

3.1 計算結(jié)果

分別針對4種試驗狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬，得到損傷結(jié)果。

（1）狀態(tài) 1

對應(yīng)狀態(tài)1，撞擊后風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的塑性變形如圖4所示。

圖4 鳥撞擊塑性變形（狀態(tài)1）

從圖4中可見，在鳥撞擊過程中，有5片葉片受到撞擊影響，其損傷情況為：葉片和凸肩都受到一定損傷，葉尖前緣發(fā)現(xiàn)掉塊；伸根部位發(fā)生大的塑性變形；葉根前緣有一定塑性變形；葉片中部凸肩部位前緣發(fā)生撕裂；凸肩錯位搭接，變形較大，局部有掉塊現(xiàn)象。

（2）狀態(tài) 2

對應(yīng)狀態(tài)2，撞擊后風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的塑性變形如5所示。

圖5 鳥撞擊塑性變形（狀態(tài)2）

從圖5中可見，在鳥撞擊過程中，有3片葉片受到碰撞后發(fā)生一定損傷。其損傷情況為：葉片葉尖及根部前緣發(fā)生了塑性變形，但未發(fā)生撕裂裂紋、卷邊、凹陷變形，結(jié)構(gòu)保持完整；凸肩相互接觸，未發(fā)生錯位、搭接、掉塊?？梢娫诖藸顟B(tài)時，鳥撞擊葉片葉尖未對風(fēng)扇葉片造成大的損傷。

（3）狀態(tài) 3

對應(yīng)狀態(tài)3，撞擊后風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的塑性變形如圖6所示。

從圖6中可見，在鳥撞擊過程中，有3片葉片與鳥發(fā)生了碰撞，受到一定程度的損傷。其損傷情況為：葉片葉尖及中部前緣發(fā)生較大的塑性變形；葉尖前緣發(fā)現(xiàn)掉塊；葉中對應(yīng)的凸肩部位發(fā)生撕裂；葉片未發(fā)現(xiàn)卷邊、凹陷以及大的變形；凸肩相互接觸，未發(fā)生錯位、搭接、掉塊?？梢娫诖藸顟B(tài)時，鳥撞擊葉片葉尖會對風(fēng)扇葉片造成一定損傷，發(fā)生撕裂及掉塊，但不會造成嚴(yán)重?fù)p傷。

圖6 鳥撞擊塑性變形（狀態(tài)3）

（4）狀態(tài)4

對應(yīng)狀態(tài)4，撞擊后風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的塑性變形如圖7所示。

圖7 鳥撞擊塑性變形（狀態(tài)4）

從圖7中可見，在鳥撞擊過程中，有4片葉片與鳥發(fā)生了碰撞，受到較大損傷。其損傷情況為：葉片根部及榫頭發(fā)生塑性變形；葉尖前緣發(fā)現(xiàn)掉塊；葉中對應(yīng)的凸肩部位發(fā)生撕裂；葉片未發(fā)現(xiàn)卷邊、凹陷以及大的變形；凸肩發(fā)生錯位搭接?？梢娫诖藸顟B(tài)時，鳥撞擊葉片葉尖會對風(fēng)扇葉片造成較大程度的損傷，出現(xiàn)撕裂、掉塊和凸肩錯位，但不會造成安全性問題。

綜上，當(dāng)鳥撞速度在一定范圍內(nèi)時，對風(fēng)扇葉片的損傷較小；當(dāng)鳥撞速度較小或者較大時，對風(fēng)扇葉片的損傷較大。但都不會造成安全性問題。

4 結(jié)論

（1）經(jīng)計算得知，鳥體穿過葉尖、葉中部位支板間隙的概率約為5 0%和3 0%，在根部位置，鳥體穿過根部支板間隙撞擊風(fēng)扇葉片根部的概率很小。因此，最可能受到鳥撞擊的部位為風(fēng)扇葉尖。

（2）通過鳥撞擊后造成的損傷對比分析，撞擊葉尖和葉中時損傷最大，可能導(dǎo)致葉片前緣發(fā)生掉塊、撕裂裂紋和凸肩搭接等。

（3）對于4個具有代表性的狀態(tài)計算得知，鳥撞擊后可能對葉片造成一定損傷，當(dāng)鳥撞速度過大或者過小時，會造成較大損傷，但都能滿足安全性要求。

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