Altair 2014技术大会论文集
基于RADIOSS的某型飞机雷达罩鸟撞分析 Analysis of Bird Strike to A Certain Aircraft
Radome Based on RADIOSS
郭 琦
(中航飞机西安飞机分公司，陕西 西安，710089)
【摘要】抗鸟撞性能是飞机雷达罩设计必须考虑的因素，本文基于Altair公司RADIOSS软件，
采用HyperMesh建立了某型飞机的雷达罩和鸟体的有限元模型，并用RADIOSS求解器对鸟撞过程进行了求解分析，从而验证某型飞机雷达罩的抗鸟撞性能。
关键词：HyperMesh RADIOSS 雷达罩 鸟撞
Abstract: Bird strike resistant performance is aircraft radome design factors must be
considered. This paper is based on the RADIOSS software of Altair company, the finite element model of the radome and bird has been established with HyperMesh, and analysis to bird strike process by use of RADIOSS solver, to verify the bird strike resistance performance of a certain aircraft radome.
Key words: HyperMesh, RADIOSS, Radome, bird strike
1 引言
飞机在使用过程中，常会遇到外界环境的各种威胁，如鸟撞、冰雹袭击和跑道上的飞石等。尤其是鸟撞问题，长期以前一直受到飞机设计人员和用户的长期关注[1]。因而，在现代飞机设计过程中，飞机的抗鸟撞性能是必须考虑的因素之一。
鸟撞是发生在瞬时的高度非线性冲击动力学问题。其严重程度主要决定于撞击的部位、鸟体的质量和鸟相对于飞机的速度等因素。位于飞机头部的雷达罩迎风面积较大，与鸟相撞的几率也相应的增大。为了减小鸟撞带来的损失，设计人员开始注重雷达罩抗鸟撞能力的设计，鸟撞计算及其试验也开始大规模的展开。本文针对某型飞机雷达罩，采用耦合解法，应用RADIOSS领先的非线性动力求解技术，对其进行鸟撞过程的求解分析，以此验证雷达罩的抗鸟撞性能。
2 有限元建模
某型飞机雷达罩为玻璃钢蜂窝夹心半球结构，内外面板为石英玻璃布，中间为蜂窝夹层。其有限元模型包括三部分：鸟体模型、复合材料玻璃布模型和蜂窝夹层模型。
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2.1 鸟体模型
鸟体模型采用SPH建模，SPH是光滑质点流体动力学方法，它是一种无网格纯拉格朗日方法[2]，是把连续的物理流场用一定速度的质点集合来描述，每个质点作为该物理流场的插值点，问题的解通过这些质点的规则插值函数来得到，守恒方程用质点内力来表达，可以直观的模拟鸟体的抛洒现象。
鸟体的形状是两端为圆球的圆柱体，如图1所示。圆柱体的直径D由公式(1)来确定。
D?1M3 （1） 22.98??式中：D为圆柱体直径；M为理想鸟体的质量；ρ为理想鸟体材料的平均密度。
2D
D
图1 鸟体形状 图2 SPH鸟体模型
通过公式确定鸟体的直径D=0.1112m。采用SPH建立鸟体粒子模型如图2所示，共计10564个节点，重量为1.8Kg。鸟体材料选用RADIOSS粘性流体MAT/HYDRODYNAMIC/MLAW6模拟。材料参数设置中鸟体的密度为1.0×10-6Kg/mm3，流体常数体积模量：C1=2.199，流体受拉形成气穴的压力Pmin=-1.0×10-4GPa。
2.2 雷达罩建模
雷达罩为混合复合材料，其建模方式有三种：
1) 复合材料的每层采用至少一层的实体单元，层与层之间采用共节点处理或带失效模式的接触处理。这种方法精度高，但模型规模大，计算消耗高。
2) 复合材料中较厚的芯层采用实体单元，薄层使用壳单元建模，层与层之间采用共节点处理。这种方法精度高，模型规模有所减少。
3) 复合材料使用特定的夹层板壳模型TYPE11，厚度方形仅有一层壳单元，这种壳单元公式可以定义厚度方向N个不同的材料层。其精度高，模型规模小。
某型飞机雷达罩的建模方式采用第二种方法，中间的蜂窝夹层采用实体单元，选用RADIOSS蜂窝材料MAT/OTHER/M28_HONEYCOMB模拟；内外石英玻璃布采用壳单元建模，
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选用RADIOSS表格式分段线性弹塑性材料MAT/ELASTO-PLASTIC/M36_PLAS_TAB模拟。材料参数可根据相关的材料手册查得。
雷达罩的有限元模型如图3所示，网格单元数为27232，网格节点数为18272。其中二维单元18156，实体单元9076。
图3 雷达罩有限元模型
2.3 接触
RADIOSS中定义了很多类接触（Interface），如Interface Type2、Interface Type6、Interface Type7等[2]。Interface Type2是绑定接触，适用于固连接触；Interface Type6是刚形体之间的接触，适用于自定义接触；Interface Type7是通用点面之间的接触，适用于所有速度下结构接触碰撞。本文选用Interface Type7定义接触关系，面为主，点为从。其原理是在每个时间步先检查各从节点是否穿透主表面（节点和表面之间设置有间隙），没有穿透则不作任何处理，否则在该节点与被穿透的主表面之间引入一个变化的接触刚度——接触刚度随着从节点对间隙侵入量的增加而呈指数形式增大，从而保证了从节点不可能穿过主面单元，接触处理的问题得以解决。而且Interface Type7的从节点可以同时在主表面上，因而可以模拟自接触。
在雷达罩鸟撞分析中，选用Interface Type7定义鸟体与雷达罩之间、雷达罩之间的接触关系，鸟体与雷达罩之间的接触如图4所示，红色节点集为鸟体模型，蓝色组件为雷达罩；雷达罩自接触如图5所示，红色节点集为从节点，蓝色组件为主面。
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图4 鸟体与雷达罩之间的接触 图5 雷达罩自接触
2.4 边界条件
边界约束为对雷达罩的右侧断面进行全约束。鸟体以大小为116.7m/s的速度（方向沿航向向后，即X轴负方向）撞向雷达罩，分析时间为6.01ms，如图6所示。
图6 边界条件
3 计算求解
RADIOSS Block求解器具有强大的SPH数值模拟功能，因而本文采用Altair的RADIOSS/Block110进行求解。注意在求解之前需要定义引擎文件，设置动画参数和时间步长控制参数。
4 结果分析
计算完成后，运用HyperView查看计算结果，如图7所示。雷达罩的前端被鸟体撞出一个凹
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坑，鸟体被撞溅开，但鸟体未穿透雷达罩，可以保证飞机的正常飞行，从而验证了雷达罩的抗鸟撞性能是很好的。
图7 计算结果
结合近期某航空公司飞机雷达罩被鸟撞击之后的结果，如图8所示。本次运用RADIOSS对某型飞机雷达罩进行鸟撞分析的可信性还是比较高的，再次印证了RADIOSS求解器的权威性。
图8 实际鸟撞结果
5 结论
本文采用HyperWorks软件RADIOSS求解器对某型飞机的雷达罩进行了初步鸟撞分析，通过分析得知雷达罩的结构满足抗鸟撞要求，为雷达罩结构的抗鸟撞性能分析提供了理论分析依据。
RADIOSS能够出色的完成雷达罩鸟撞过程的分析，在保证结果准确度的同时大大提高了设计人员的设计水平和工作效率。
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6 参考文献
[1] 毋玲，郭英男，李玉龙.蜂窝夹层雷达罩结构的鸟撞结构分析(J).爆炸与冲击，2009，6
（29）
[2] 欧贺国，方献军，洪清泉等.RADIOSS理论基础和工程应用(M).北京：机械工业出版社，
2013
作者简介：
郭 琦(1985—)，男，工学硕士，工程师，研究方向：飞机结构设计与有限元分析。 Tel: 13468714379 E-mail：guoqi896@163.com
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6 参考文献
[1] 毋玲，郭英男，李玉龙.蜂窝夹层雷达罩结构的鸟撞结构分析(J).爆炸与冲击，2009，6
（29）
[2] 欧贺国，方献军，洪清泉等.RADIOSS理论基础和工程应用(M).北京：机械工业出版社，
2013
作者简介：
郭 琦(1985—)，男，工学硕士，工程师，研究方向：飞机结构设计与有限元分析。 Tel: 13468714379 E-mail：guoqi896@163.com
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