近年来，随着飞机的广泛使用，飞机发生鸟撞的概率大大增加。鸟通常会对飞机造成损伤，可能造成多个系统失效，甚至导致灾难性事故，直接威胁乘员的生命安全。国外航空工业先进国家非常重视飞机抗鸟撞的安全性设计和评估工作，已开展了很多研究。目前我们要立足国内航空研究现状，合理吸收国内外飞机抗鸟撞分析的先进理念和方法，进行探索实践。
1. 结构简介
某飞机前风挡玻璃结构如图1，它是由3层无机硅酸盐玻璃和2层有机透明胶片经过热压层合构成，总厚度为24mm，其沿厚度方向分布如图2。第3、5层分别为5.5mm和8.5mm的化学钢化玻璃，它是前风挡玻璃保持整体结构、抵抗鸟撞的主要贡献者；第1层为3.5mm的半钢化玻璃；第2、4层分别为2.5mm和4mm的聚氨酯柔性中间层粘接材料(PU),有较好的韧性与抗碎性，可吸附玻璃碎片。
图1 某飞机前风挡玻璃结构图
图2 某飞机前风挡玻璃沿厚度方向分布
本次分析的主要目的是分析某飞机前风挡玻璃抗鸟撞性能，故只对前风挡玻璃结构进行了建模及相应的鸟撞分析，并没有考虑窗框、锁体、挡块等支持组件。
根据CCAR-25-R3《运输类飞机适航标准》中25.571(e)-(1)的规定，飞机飞行中在受到1.80公斤（4磅）重的鸟的撞击后造成结构损伤的情况下，必须能够成功完成该次飞行。飞机与鸟沿着飞机飞行航迹的相对速度取海平面V或2450米(8000英尺)0.85V。选两者中的较严重者为计算鸟撞速度。本文前风挡抗鸟撞分析的鸟撞速度取151m/s。鸟体体积用半径为56mm、长度212mm的圆柱体来模拟。
2. 有限元模型简介
本文以某飞机前风挡玻璃的几何模型为基础建立抗鸟撞性能分析模型，如图3。其中前风挡玻璃全部由体单元构成，鸟体采用SPH单元来模拟。整个有限元模型共有25410个节点，21522个体单元，606个SPH单元。边界条件为前风挡玻璃四周固支，如图4。分析模型中的材料参数见表1。飞机鸟撞问题属于典型的大变形问题。
图3 某飞机前风挡玻璃抗鸟撞性能分析模型
图4 前风挡玻璃边界条件示意图
表 1 材料参数
3.详细计算步骤
3.1建模
（1）从工具栏File-Import，导入前风挡几何模型。
（2）标题栏Module下拉菜单选中Mesh，划分网格，创建风挡的meshpart，如图5。
（3）从工具栏中点击“Crete Set”命令，选取meshpart上所有单元，创建“shell”的单元集。
图5 前风挡玻璃网格模型
（4）点击工具栏Tools-Query-Shell element normals，查询单元方向，保证一致，再点击Edit Mesh，用“offset(create solid layers)”编辑网格，创建风挡玻璃的其它4个分层（实体网格），并为每个分层的单元创建一个集合，分别是：down-glass 、dowm-pu 、midle-glass、up-pu、up-glass。删除上一步创建的“shell”集及相关节点。
（5）点击Element Type定义玻璃单元类型“Continum Shell”,采用显式、线性分析。
（6）标题栏Module下拉菜单选中Part，用拉伸实体的方法创建鸟体的几何模型，并划分网格，如图6。
图6 鸟体网格模型
（7）标题栏 Module下拉菜单选中Property，从材料库中导入鸟体的material,创建section (各项同性、实体),赋予材料。
（8）分别创建玻璃各分层的section(各项同性、壳体)，赋予材料和厚度值，如图7。
图7 按材料属性显示前风挡玻璃分层
（9）标题栏Module下拉菜单选Assembly，创建装配体，把玻璃和鸟体单元装配到一起，并移动鸟体到合适的入射位置，如图8。
图8 鸟体入射位置
（10）标题栏Module下拉菜单选中Step，创建分析步1，选择“动态、显式” ，Time period=0.003，打开非线性开关，Incrementation选择“element by element”。
（11）在输出控制中，勾选上需要输出的“应力、应变、位移”等。
（12）考 虑 到 鸟 撞 上 风 挡 玻 璃 ， 还 有 一 个 接 触 作 用 。在“Module-Interaction”中创建一个“通用接触（显式）”，在
“Contact-Mechanical-Tangential Behavior”定义切向摩擦力，摩擦系数为0.1。
（13）加载“Module-Load”：在分析步1中设定边界条件为四边固支，在初始步中设定速度场，即鸟体沿Z向迎面撞上玻璃的速度为151m/s。
图9 定义鸟体速度
（14）定义“Module-Job”，命名为“bird-imp”,Job Type为Full analysis。
（15）工具栏Tool-Set-Create Set,为所有单元创建一个集合，命名为“All”。
（16）输出inp文件，用文本编辑器打开，找到“Solid section”部分，用“Section Controls”的方法把鸟体离散为粒子，并输入鸟体材料的状态方程（如下），保存。
“Eos, type=Tabular
0.,,0.
1.29217,,-0.010207924
2.58434,,-0.019943557
4.5226,,-0.029774906
5.16869,,-0.03941049
5.81477,,-0.049139825
5.81477,,-0.058665667
5.81477,,-0.067981241
5.81477,,-0.077384411
5.81477,,-0.086876841
5.81477,,-0.096148631
6.46086,,-0.104881741
7.74303,,-0.114007796
9.69125,,-0.123217903
12.92175,,-0.132190578
17.44435,,-0.14059629
21.96695,,-0.149400646
28.42775,,-0.157951728 36.82695,,-0.166910913
46.51825,,-0.175277624
58.14775,,-0.183716129
71.06945,,-0.191883527
86.57555,,-0.200119403
104.01975,,-0.208422441
124.69475,,-0.21644603
147.95375,,-0.224886319
172.50475,,-0.23268644
200.28675,,-0.240549154
231.29875,,-0.248472898
265.54175,,-0.256095554
304.30675,,-0.264145249
344.36375,,-0.271888779
388.29775,,-0.279319801
436.10775,,-0.287182197
487.14875,,-0.294350927
542.06675,,-0.302332873”
（17）回到Module-Job，点击Submit，提交计算，到Results查看结果。
3.2 鸟撞位置
在飞机前风挡玻璃上选取中部位置进行抗鸟撞性能分析，如图10，记为P1。
图10 前风挡玻璃鸟撞点分布
3.3 抗鸟撞性能分析
本报告中的鸟撞分析采用的是Abaqus6-12仿真分析软件进行的，分析时间为3ms。
鸟撞结果见图11－16，经过分析可以得到以下结论：
a) 无玻璃层发生破坏，见图 11-15；
b) 前风挡玻璃的最大位移为 11.65mm，见图 16。
图11 鸟撞 P1 位置 6mm 化学钢化玻璃层最大应力云图
图12 鸟撞 P1 位置 1.5mmPU 层最大应力云图
图13 鸟撞 P1 位置 8mm 化学钢化玻璃层最大应力云图
图14 鸟撞 P1 位置 4.5mmPU 层最大应力云图
图15 鸟撞 P1 位置 3mm 半钢化玻璃层最大应力云图
图16 鸟撞 P1 位置 3mm 半钢化玻璃层最大位移云图
4. 评价分析结果参照《某飞机机头改进型透明件鸟撞试验总结报告》，对照试验结果：
表2试验结果
试验结果：
a) 无鸟肉渗入。
b) 无玻璃结构层损坏，试验窗密封无破损。
c) 透明件支撑结构无损坏。
结论：试验通过。
经过与试验结果对比，证明运用Abaqus软件进行鸟撞分析，方法合理，计算结果较为可靠。
5. 小结
除了试验手段，运用软件分析飞机风挡玻璃抗鸟撞性能并进行评估，对提高飞机抗鸟撞的安全性设计帮助很大。本文以某飞机前风挡玻璃的几何模型为基础建立抗鸟撞性能分析模型，鸟体采用SPH单元来模拟，计算结果与试验结果对比，比较吻合。
本文摘自道客文库Abaqus 结构分析软件在鸟撞问题中的应用 李宇峰 范林 李钢 王永超
END
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