【摘 要】
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鸟撞一直以来严重威胁着航空飞机的运行安全。据美国联邦航空管理局统计,飞机撞鸟次数逐年增加,在飞机所有受鸟撞的部件中,航空发动机被鸟撞击次数最多,被撞后部件发生损坏的比例也最高。风扇位于航空发动机的最前端,因而风扇是飞机所有受鸟撞部件中最应该被关注的位置。目前鸟撞风扇的研究中,鸟体模型主要采用的是传统的替代鸟体模型,但传统替代鸟体模型只是对真实鸟体躯干部位的近似简化,而鸟体其他部位对鸟撞动态响应影响
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鸟撞一直以来严重威胁着航空飞机的运行安全。据美国联邦航空管理局统计,飞机撞鸟次数逐年增加,在飞机所有受鸟撞的部件中,航空发动机被鸟撞击次数最多,被撞后部件发生损坏的比例也最高。风扇位于航空发动机的最前端,因而风扇是飞机所有受鸟撞部件中最应该被关注的位置。目前鸟撞风扇的研究中,鸟体模型主要采用的是传统的替代鸟体模型,但传统替代鸟体模型只是对真实鸟体躯干部位的近似简化,而鸟体其他部位对鸟撞动态响应影响较大,尤其是在进行鸟撞姿态对鸟撞响应影响的研究中传统模型很不适用。且传统替代鸟体模型仿真结果与试验结果相差较大,难以满足工程上的准确度要求。本文首先采用CT扫描方法及光滑粒子流体动力学(SPH)法建立绿头鸭SPH模型,通过鸟撞刚性平板仿真模拟,将绿头鸭SPH模型数值计算结果与其他四种传统替代鸟体模型数值计算结果及Wilbeck实验结果进行比较,结果表明该绿头鸭SPH模型更加接近试验结果。基于绿头鸭SPH模型,根据相对速度原则进一步建立鸟体-风扇冲击动力学模型,对鸟体不同撞击位置、不同撞击姿态下的旋转风扇-真实鸟体撞击过程进行动力学模拟,研究鸟体撞击位置和撞击姿态对叶片动力学响应的影响。研究发现,鸟撞击高速旋转风扇的过程中会受到多个叶片的切割与拍击作用,撞击2/6叶高位置时,接触力、叶根应力及前缘等效应力最大,Y-135°、Y-270°、Y-315°、Z-135°及Z-315°撞击姿态对前叶根损伤最大,Z-135°撞击姿态对后叶根损伤最大,Y-270°撞击姿态对前缘的损伤最大,且对比所有撞击姿态下的前后叶根应力可知,前叶根应力要普遍大于后叶根。基于航空发动机单次起落循环中的风扇工况分布,研究滑跑阶段(836r/min)、下降阶段(1984r/min)、巡航阶段(3344r/min)和爬升阶段(3772r/min)等阶段下不同风扇转速对鸟撞过程的影响。结果表明,836 r/min转速下鸟与风扇相互作用的方式不同于其他高转速,该转速下叶片切割鸟体,叶盆侧鸟块与该切割叶片不发生撞击作用,叶背侧鸟块撞击该叶片叶背;其他转速下,叶片切割鸟体的同时叶盆拍击叶盆侧鸟块,叶背不与叶背侧鸟块发生撞击。接触力、叶根应力随转速的增大而增大;836 r/min转速下鸟动能减小,其他高转速下鸟动能增加,且增量随转速增大而增大。836 r/min转速下前缘应力峰值要大于1984 r/min转速下前缘应力峰值。其他转速下前缘应力峰值随转速增加而增大。
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