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鸟撞分析拯救生命 |
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作者：Altair |
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早在一个多世纪以前，就有鸟撞事件发生。事实上，Orville Wright早在1905年就报告了首例鸟撞事件。美国联邦航空管理局(FAA)注意到，鸟撞事件通常发生在白天飞机降落和着陆期间。92%的撞机事件发生在距离地面3000英尺或3000英尺以下的位置。而在这些事件的罪魁祸首中，海鸥、鸠类和鸽子约占三分之一的比例。
据《今日美国》报道，他们通过分析FAA数据发现，客机与飞鸟的严重撞击事故在过去两年呈剧增趋势。2009年，在500英尺以上的位置发生的严重的鸟撞事件高达150次；2010年的统计数量与此类似。尽管FAA一直竭力敦促机场做好巡查工作，让飞鸟远离飞机跑道，但在500英尺以上的高空仍会发生严重的撞机事故。
FAA为民航飞机设定了一系列最低安全标准作为认证依据。飞机不但要在设计和构造上保证安全飞行，并且要确保在有内部或外部因素（鸟撞）干扰飞机正常运行的情况下不发生事故。为达到这些法规要求，许多飞机制造商开始借助仿真技术进行产品研发。
挑战
近期屡次发生的事件凸显了鸟撞带来的危险。众所周知的全美航空班机在哈德逊河紧急迫降的事件就是因为群鸟撞机后造成两个引擎发生故障导致的。从最轻的后果说，鸟撞会对机身造成损伤，从而增加维修成本。而在最严重的情况下，可能会导致灾难性的破坏，造成坠机和人身伤亡。为了减少事故发生，许多机场进行了改造来驱散飞行区周围的鸟群。相关部门仍要求飞机制造商进行鸟撞试验，并且确保所设计的结构能够抵御飞鸟撞击。因此，产品研发的一大关键目标就是让交付的机身和引擎在首次试验时就可达到法规要求。如果未能达到要求，则需要重新设计、重新制造和重新试验，这在时间、资金和资源上都是极大的浪费。
借鉴汽车行业的虚拟碰撞试验，许多飞机制造商和供应商开始对鸟撞事件进行虚拟仿真。利用显式非线性动态瞬时分析工具，例如Altair公司的RADIOSS，能够成功实现虚拟仿真，从而大幅降低成本并提高性能。
解决方案
鸟撞分析与汽车碰撞分析截然不同。汽车行业使用过多种有限元方法，但鸟撞分析采用的标准方法是基于光滑粒子流体动力学的SPH方法。这项技术可将飞鸟试验样品的动能传递到机身结构，同时让飞鸟样品分解和消散。
上图展现了在RADIOSS软件中使用光滑粒子流体运动学(SPH)方法进行鸟撞分析的过程
分析过程模拟了标准的法规试验方法。一些飞机制造公司使用动物胶来代表飞鸟，而有些公司则直接使用实际的测试样品。测试样品撞击飞机结构后会消散，类似于水珠撞击地面。
SPH计算方法会用一组“粒子”（无序点）为飞鸟试验样品建模，这些粒子通过外力而不是节点连接相互交错。因此，结果对飞鸟的变形不敏感，但能够清晰地体现出撞击对飞机结构的影响。SPH方法非常适用于流体动力学材料（而飞鸟材料遵循的定律主要就是流体动力学）。此方法以插值理论为基础，可通过函数在一组粒子处的值来表达任意函数。此外，该方法还可以实时跟踪离散数目的粒子的运动。在实际仿真过程中，会基于CAD数据将目标结构建成有限元模型。其中最重要的特性是连接特性（铆钉）和材料特性（可塑性、破裂程度）。
RADIOSS鸟撞仿真过程包括破裂检查、穿透时的飞鸟剩余能量估算、断裂的铆钉数以及破裂区域的特性，从而预测机身分离碎片带来的风险以及可能对飞机其它部位造成的影响。此外还需考虑飞机遭受冲击破坏后的飞行能力（由于结构发生变形，飞机的气动特性也会发生变化）。
尽管单次仿真对CPU的消耗需求不是很高，但为了评估飞机结构的敏感性、结构各区域可能遭受的冲击次数以及冲击式消散（发生率），需要进行多次仿真。因此，可使用优化和敏感性分析软件来限制需要进行的仿真次数，并正确评估撞击事件所涉及的现象。
通常情况下，飞机制造商会搭建物理平台来进行物理试验。他们将物理试验和仿真试验结果紧密结合来改进产品研发。
通过将严格的物理试验和虚拟试验相关联，飞鸟撞击试验样品会将动能准确地传递给飞机结构，这正是此类仿真的关键所在。Altair会针对可通过RADIOSS软件运行的各种类型和大小的虚拟飞鸟模型提供认证相关性试验结果。这些试验结果已与机翼、机舱和引擎所受的冲击相关联。
飞鸟撞击对金属前缘结构的影响 机翼前缘的鸟撞仿真结果和物理试验结果所得的失效模式一致。
针对鸟撞事件全面优化机腹整流罩
机腹整流罩是飞机容易遭受飞鸟撞击的区域之一。作为次级结构，机腹整流罩理想的建造材料是轻质复合材料。通过将OptiStruct中的先进结构优化功能和RADIOSS中的SPH 计算方法相结合，飞机制造商可在考虑鸟撞影响的情况下简化复合材料设计。
要将鸟撞事件作为载荷工况整合到复合材料优化过程中，首先需要计算相关动能、速度和减速信息以及所需的变形极限，从而估算施加在飞机结构上的当量静负荷。使用OptiStruct进行优化分析时，会考虑鸟撞的当量静负荷以及整流罩的频率目标和静态载荷工况，从而确定排气管中各层片的最佳形状、厚度以及顺序。
之后，还需要考虑鸟撞的最关键位置并将这些区域加固。例如，整流罩中覆盖油箱、飞行控制电子设备等关键部件的部分需要充分加固，以承受飞鸟撞击。一种可行的方法是使用RADIOSS分析鸟撞最严重的情况，从而确定保证飞行安全的前提下这些区域的最小厚度，然后在OptiStruct优化过程中将这个最小厚度约束用于这些区域。
结论
总体而言，许多飞机OEM和供应商都已通过虚拟仿真从多个方面改善了鸟撞分析过程。Altair已与其中多家公司建立合作关系，为其提供相关技术与专业支持以帮助他们顺利完成分析过程。采用仿真所需的成本大大低于进行多次物理试验所需的成本。此外，通过仿真可以分析多种情况并且快速评估设计更改带来的影响，从而实现组件重量优化。
另外，仿真工具还能有效节省流程时间。仿真使制造商对于结构设计更有把握，使物理试验可与生产过程同时进行，并且确保较高的试验通过率。仿真的目标是让设计一次通过——仿真技术经过许多应用领域的验证，在未进行物理评估时就能够提供出正确的结果。(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(4/10/2014) |
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