Pamcrash在飛機鳥撞

分析中的應用

隨著航空業的飛速發展，飛機的安全性始終是航空領域最為關鍵的議題之一。鳥撞飛機事件作為航空安全領域中不可忽視的威脅，對飛機的結構完整性和飛行安全構成了重大挑戰。據統計，全球范圍內每年都會發生數千起鳥撞飛機事件，其引發的后果從輕微的機體表面損傷到嚴重的飛行事故不等，不僅危及機上人員的生命安全，還會造成巨大的經濟損失。因此，研究鳥撞現象、評估其對飛機的影響、并優化設計以減少鳥撞風險，已成為航空工程領域中的一個重要課題。

圖1

飛機鳥撞

國產大飛機C919作為中國航空工業的重要里程碑，在抗鳥撞性能方面采取了多項措施和進行了嚴格的測試，以確保飛機的安全性和可靠性。為了深入掌握鳥撞對飛機的影響機制，提高國產大飛機在鳥撞沖擊等極端場景下的安全性，商飛運用 Pamcrash[1]等軟件，精確模擬飛機各部件在多種飛行姿態下承受鳥撞等多工況載荷時的應力應變分布，據此開展機體抗鳥撞新材料、新結構優化設計和工程應用，提升結構抗鳥撞性能。同時借助飛機結構材料動力學性能試驗、典型結構試驗數據，完成 Pamcrash動力學模型構建和模型驗證，通過驗證的動力學模型大大減少物理試驗數量，極大提高設計和驗證工作效率。

圖2

C919大型客機

Pamcrash作為一個先進的有限元分析（FEA）工具，廣泛應用于模擬碰撞、結構損傷和材料失效等復雜物理現象。在飛機鳥撞分析中，Pamcrash可以幫助工程師詳細評估鳥撞對飛機結構的影響，提供重要的碰撞數據和損傷分析結果，可以幫助航空工程師設計更具抗撞能力的飛機，提高飛行安全。下面我們介紹下pamcrash在鳥撞分析中的應用。

Pamcrash鳥撞分析

鳥撞分析的核心目的是模擬飛機與鳥類之間的碰撞，評估鳥撞對飛機各部件（如機頭、發動機進氣道、機翼等）的影響。Pamcrash在飛機鳥撞分析中主要通過以下幾個步驟進行工作：

1) 創建鳥體模型

Pamcrash提供的SPH算法用于鳥類的幾何形狀和物理特性建模，將鳥類視為一個三維物體，如圖2所示。鳥類的質量、彈性、硬度和破裂特性通常基于實際數據或實驗結果進行設置。鳥類的材質一般被建模為具有一定彈性和塑性的物質，以便模擬鳥類在碰撞過程中發生的變形和破碎。

鳥體的本構模型通過 Mornaghan EOS [2]定義。

圖3

鳥類SPH模型

2) 飛機結構建模

飛機的結構需要被詳細地建模，包括飛機機頭、發動機進氣道、機翼等部位。Pamcrash支持不同材料模型的使用，能夠模擬飛機各部分在鳥撞過程中的反應，包括金屬的塑性變形、復合材料的斷裂等。

有限元模型：飛機的各個部件使用有限元網格（FE Mesh）進行離散化，以便對飛機結構在鳥撞過程中可能產生的變形和應力進行計算，如圖3所示。

材料行為：Pamcrash能夠模擬不同材料的力學行為，如彈性、塑性、損傷和斷裂等。這對于分析飛機結構在鳥撞中受到的損傷非常重要。一般采用 Johnson-Cook 模型模擬金屬材料應變率相關的應力應變關系，在Johnson-Cook 本構模型中，流動應力σ 可以表示為

圖4

飛機結構有限元模型

3) 撞擊力和沖擊響應：在鳥撞事件中，鳥類的速度和撞擊角度會對碰撞結果產生重要影響。Pamcrash會模擬鳥類與飛機結構接觸時的沖擊力，以及結構對這種沖擊的響應。

損傷和破壞模式：Pamcrash能夠識別并模擬飛機各部件的損傷模式，如局部變形、裂紋擴展、結構失效等。這為評估鳥撞后的結構完整性和飛行安全提供了關鍵信息。

圖5

鳥撞過程模擬

4) 結果分析

通過對碰撞過程的仿真，Pamcrash可以提供詳細的分析結果。這些結果包括：

變形與損傷：如飛機機頭的損傷程度、發動機進氣道的損傷情況、機翼的結構變化等。

應力和能量傳遞：分析鳥撞過程中的應力分布、能量吸收情況及可能的失效模式。這些信息對于評估飛機是否能繼續安全飛行至關重要。

殘余強度：在鳥撞后，Pamcrash能夠預測飛機剩余的結構強度，幫助工程師評估飛機是否需要進行緊急維修或進行其他安全處理。

圖6

鳥撞后仿真與實際變形對比

圖7

鳥撞后實驗與仿真復合材料

失效結果對比

鳥撞仿真結果的應用

Pamcrash的仿真結果可以為飛機設計和安全評估提供有力支持，具體應用包括：

結構設計優化：通過模擬不同類型的鳥撞事件，Pamcrash可以幫助工程師識別飛機設計中的薄弱環節，并進行優化設計，例如加固飛機機頭、加強發動機進氣道防護等，如圖7所示。

圖8

尾翼前緣鳥撞實驗與模擬結果：

（a）原始尾翼前緣；

（b）新型尾翼前緣。

鳥撞防護標準的制定：航空管理機構根據Pamcrash的仿真結果，可以制定飛機抗鳥撞的標準和測試要求，確保新型飛機能夠滿足安全要求。

安全性評估與風險預測：基于鳥撞仿真，Pamcrash可以幫助評估飛行器在不同鳥撞情況下的安全性，預測潛在的飛行風險，并為飛行員提供有效的應急預案。

總結

鳥撞是航空安全中的一個重要問題，對飛機的結構完整性和飛行安全構成潛在威脅。Pamcrash作為一款有限元分析軟件，在國產大飛機的開發中，特別是在抗鳥撞設計、材料模型驗證以及結構設計優化方面，發揮了關鍵作用，為飛機的安全性能提供了重要的分析和評估工具。隨著技術的進步，Pamcrash在鳥撞分析中的應用將更加廣泛和深入，未來將持續助力國產大飛機開發，為我國航空事業邁向更高峰鋪就堅實之路。