在万米高空一只体重仅几公斤的飞鸟若与高速飞行的飞机迎头相撞其冲击力堪比一颗出膛的“炮弹”。鸟撞是威胁航空安全的重大隐患极易导致发动机叶片断裂、空中停车甚至灾难性事故。传统的物理鸟撞试验成本高昂、周期漫长且难以复现复杂的动态过程。因此利用CAE软件进行高精度的数值仿真已成为现代航空发动机研制中不可或缺的关键环节。面对鸟撞这种涉及高应变率、大变形、流固耦合的极端物理现象传统网格法往往因网格畸变而计算中断。FastCAE团队基于OpenRadioss开源显式动力学求解器开发了完整的动力学分析解决方案。我们采用了SPH光滑粒子流体动力学无网格法构建鸟体模型将鸟体离散为无数粒子完美规避了网格畸变问题真实复现飞鸟撞击时的“流体化”行为。能够精确捕捉叶片在冲击载荷下的应力分布、变形规律与损伤演化。图1 案例简介图2 仿真结果核心操作流程1导入网格模型点击菜单栏【File】【Import Mesh】选择目标网格文件。软件目前兼容*bdf*inp等常用格式。图3 导入网格模型2几何建模使用圆柱体构建简化的鸟模型圆柱的直径为76mm高度为156mm。点击菜单栏【Geometry】【Cylinder】具体参数如下图4所示。图4 几何建模图5 几何模型3网格划分对上述创建的圆柱几何体进行网格划分点击菜单栏【Mesh】【Mesh】弹出对话框在拾取类型一栏中选择“Solid”网格最大与最小尺寸都设置为4其余参数默认即可见图6。图6 网格划分4SPH粒子转化本仿真采用光滑粒子流体动力学SPH无网格法构建鸟体模型精准复现飞鸟高速撞击的流体特性与大变形行为。该方法以离散粒子表征物质运动无需固定网格可适配撞击中的剧烈变形、破碎与流动规避传统网格法计算失效问题精准传递压力、动量等物理量为力学响应分析提供高精度数据支撑。右击模型树【Assembly】中的节点弹出对话框点击“SPH Transformation”网格单元节点便会转化为SPH粒子见下图7。图7 SPH粒子转化5材料设置点击菜单栏【Property】【Material】弹出对话框选择相应的材料类型设置参数。叶轮采用 Johnson-Cook 弹塑性材料模型/MAT/LAW2需设置杨氏模量70GPa、泊松比0.3、屈服强度300MPa、延伸率0.12等参数其余参数见下图8。图8 叶轮材料参数鸟对于鸟类使用/MAT/LAW6描述流体材料压力通过定义中的状态方程计算具体参数见下图9。图9 流体材料参数创建好的材料会显示在Property树上可右键进行重命名、编辑或删除。在Assembly树中选中部件后可为它指定材料。软件还提供了高效的批量赋材功能左键框选多个部件右键选择【Set Material】然后选择相应材料即可。6属性设置点击菜单栏【Property】【Property】弹出对话框选择相应的属性类型设置参数。叶轮采用PROP/TYPE14其参数见下图10。鸟采用PROP/TYPE34具体参数见下图11。图10 叶轮属性参数设置图11 鸟属性参数设置7接触设置此案例中需要设置两个接触一个是鸟与叶轮的接触另一个是叶轮本身的自接触。点击菜单栏【Analysis】【Multi-Usage Impact】弹出对话框设置参数。图12 鸟与叶轮的接触设置图13 叶轮的自接触设置8初速度设置本案例中需要设置两种速度一个是对整个SPH粒子设置平动速度另一个是对叶轮设置转动速度。点击菜单栏【Analysis】【Create Initial Field】弹出类型选择框在“Initial Field Type”一栏中选择“TRA”类型然后设置参数速度为80m/s方向为沿着X轴负向作用对象为整个SPH粒子见下图14。图14 鸟的速度设置点击菜单栏【Analysis】【Create Initial Field】弹出类型选择框在“Initial Field Type”一栏中选择“AXIS”类型然后设置参数绕X轴转速为500rad/s作用对象为叶轮见下图15。图15 叶轮速度设置9求解设置点击菜单栏【Solve】【Solve Setting】弹出对话框设置相关参数见下图16。图16 求解参数设置10输出设置点击菜单栏【Solve】【Result Request】弹出对话框设置参数见下图17。图17 输出参数设置11求解与后处理点击菜单栏【Solve】【Start Solver】执行计算求解日志将实时显示在软件下方的日志窗口中。计算结束后软件将自动跳转至后处理界面用户可在此查看和分析仿真结果。图18仿真结果源码地址https://atomgit.com/devlab/APPRadioss