[发明专利]一种计算鸟撞高速旋转发动机叶片的方法

说明书

本发明涉及一种计算鸟撞发动机叶片响应的数值仿真方法，基于光滑粒子法(Smoothed Particle Hydrodynamics Method,SPH)和有限元法(Finite Element Method,FEM)，建立了考虑鸟体姿态角的撞击环境因素影响的数值仿真模型，在此模型下进行动力学响应的仿真。此外，本发明使得本领域内技术人员在进行鸟撞动力学响应研究的过程中能够更加简单的修改不同参数进行研究，为研究航空发动机结构的设计和优化提供参考依据。

技术领域

本发明属于冲击动力学建模领域，具体涉及一种计算鸟撞发动机叶片响应的仿真方法。

背景技术

SPH方法是一种无网格方法，这种方法是模拟流体流动的一种拉格朗日型粒子方法，不像有限元方法，需要对计算域进行精确的网格划分。SPH法利用一系列带有质量、密度、速度和加速度等物理量的粒子，来求解具有各种边界条件的积分方程或偏微分方程，得到精确解。

鸟撞问题一直严重威胁航空飞行器的安全，为了降低财产损失，提高飞行器的安全性，利用数值计算和实验，能够飞机结构的抗撞性。利用数值分析方法建立研究对象的模型，通过划分网格单元，施加边界条件和载荷，然后利用求解器计算，分析响应结果。

航空发动机作为飞机的心脏，直接影响着飞机的性能和安全性，进行鸟撞击发动机叶片的响应分析，降低其引起的损坏程度，保证航空安全，有十分重要的意义。

Frederik在《Numerical and experimental investigation of the shock andsteady state pressures in the bird material during bird strike》一文中分别进行了三组不同的对比实验，使用了圆形平板，楔形和分束器，他发现明胶模型和真实鸟体，对平板和楔形物的撞击，冲击力和动量几乎相同，同时，他介绍了另一种测量动量转换的方法，进一步说明了明胶替代鸟体模型的可行性和准确性，但是他未考虑靶体的运动情况。文颖娟在《叶片鸟撞击响应分析模化技术与验证研究》一文中开展了鸟碰撞叶片平板的瞬态响应实验，测量了叶尖的位移时间曲线，并将近似弹塑性材料模型和流体动力学材料模型进行了对比，分析了每种材料参数变化对叶片响应的敏感性，并采用有限元方法比较了不同的鸟体接触模式，评价了不同的参数对叶片响应的结果，但是在她的研究中并没有涉及到考虑曲率的叶片。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种计算鸟撞发动机叶片响应的仿真方法，以冲击动力学为理论基础，目的在于分析考虑鸟体姿态角的鸟撞发动机叶片数值仿真模型的动力学响应。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种计算鸟撞发动机叶片响应的仿真方法，方法步骤如下：

步骤1、设定鸟体的材料参数和速度参数，发动机叶片的速度参数、材料参数和状态方程参数，建立鸟体数值仿真模型，转入步骤2；

步骤2、基于FEM对鸟体数值仿真模型进行离散，利用SPH和FEM转换的方法，将鸟体数值仿真模型的FEM单元转换成SPH粒子，转入步骤3；

步骤3、计算SPH粒子和FEM单元之间的接触力，其中SPH粒子采用跳蛙格式求解纳维斯托克方程，有限元采用中心差分法求解显式动力学方程，转入步骤4；

步骤4、根据求解后的显式动力学方程，得到鸟体数值仿真模型的能量变化，转入步骤5；

步骤5、输出鸟体数值仿真模型能量随时间变化图。

本发明与现有技术相比，其显著优点：

(1)、本发明考虑了鸟体模型姿态角的影响，使计算更加贴近实际情况。

(2)、在国际先进计算方法SPH和FEM法的基础上建立了数值计算模型，与国际接轨。

(3)、本发明计算出鸟体数值模型动能的变化，为工程应用提供了一定的指导作用。