1. Dassault Systèmes Russia
  2. ИНДУСТРИИ
  3. • Авиастроение
  4. Cтратегия моделирования столкновений самолета с птицами с помощью Abaqus/Explicit

Cтратегия моделирования столкновений самолета с птицами с помощью Abaqus/Explicit

Столкновение летательных аппаратов и других механических конструкций с птицами классифицируется как высокоскоростной удар мягкого тела, поскольку напряжения, возникающие в области контакта, значительно превышают предел прочности тела, но ниже предела прочности подвергшейся удару конструкции. Из-за высокой деформируемости тела птицы ударная нагрузка распределяется по некоторой области конструкции, и для анализа этой нагрузки требуются специальные модели материалов, в которых учитывается скорость деформации.

Если конструкция деформируема, то ударная нагрузка определяется динамическими характеристиками конструкции, а они, в свою очередь, зависят от ударной нагрузки. Эксперименты показывают, что удар птицы характеризуется следующими тремя фазами: 1) фазой ударной волны; 2) фазой сброса давления; и 3) фазой установившегося давления потока. Экспериментальные исследования направлены на получение таких важных параметров, как пиковые значения ударных сил и давлений, а также установившееся давление потока.


 

МОДЕЛИРОВАНИЕ МАТЕРИАЛОВ

Материал тела птицы принято описывать с помощью упругопластической гидродинамической модели. При высоких давлениях гидродинамическое поведение области давления птицы может быть смоделировано в Abaqus/Explicit с использованием: а) уравнений состояния Ми-Грюнайзена с линейным соотношением Рэнкина–Гюгонио между ударной волной в птице (Us) и скоростью частиц (Up), либо б) табличного уравнения состояния, которое обеспечивает большую гибкость при моделировании гидродинамического отклика материалов. Объем птицы может быть замоделирован с помощью традиционных, лагранжевых элементов (в которых материал перемещается вместе с элеменами), с помощью метода CEL (в домене Эйлера материал перемещается из элемента в элемент, а сами элементы не меняют форму) и с помощью гидродинамики сглаженных частиц (SPH).

Для повышения устойчивости расчета и предотвращения ошибок анализа вследствие чрезмерного искажения лагранжевых элементов, что вызывается физическим поведением водоподобного гомогенизированного тела, в продукте Abaqus используется критерий пластического повреждения, удаляющий фрагменты птицы из дальнейшего расчета. Другим способом предотвращения остановки расчета вследствие искажений элементов является их конвертация в сглаженные частицы (SPH) в определенный момент расчета (критерий времени) или по достижению определенного механического критерия (по относительным деформациям или напряжению).

 

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕЛА ПТИЦЫ С КОНСТРУКЦИЕЙ

Распределение давления по конструкции с учетом нелинейной связи между мягким телом и жестким объектом может быть эффективно смоделировано с помощью функционала общего контакта Abaqus/Explicit (контакт «все со всеми»). Метод штрафов, используемый в контактном алгоритме, позволяет учитывать различия в механических свойствах контактирующих тел.

 

МЕТОД: ЛАГРАНЖЕВЫЙ ИЛИ ГИБРИДНЫЙ ЭЙЛЕРОВО-ЛАГРАНЖЕВЫЙ (CEL)

Построение сетки конечных элементов значительно упрощается в методе CEL, поскольку нет необходимости строить конечно-элементную сетку мягкого тела. Простая однородная сетка конечных эйлеровых элементов строится таким образом, что тело полностью располагается в границах сетки на протяжении всего анализа. Это может быть достигнуто путем создания либо неподвижной эйлеровой сетки, которая достаточно велика, чтобы охватить всю траекторию от начала до конца анализа, либо подвижной эйлеровой сетки, способной расширяться и сжиматься. Пользователь задает доли заполнения материалом эйлеровых элементов (это возможно в автоматисеском режиме при построении модели). В процессе расчета материал перемещается через элементы сетки.



РЕЗУЛЬТАТЫ

Использование цилиндрической модели летящего предмета позволяет проводить прямое сравнение с аналитическими прогнозами пиковых давлений и установившихся давлений потока. Наблюдается хорошая корреляция результатов анализа в Abaqus и теоретическими значениями как для лагранжевого метода, так и для гибридного метода CEL.

 

ВЫВОДЫ

Проверенные модели мягких объектов Abaqus могут быть непосредственно использованы для анализа конструкций и их фрагментов без необходимости трудоемкой калибровки. Все модели, описанные здесь, доступны в SIMULIA в формате Abaqus. Пользователю нужно только заменить в этих вводных данных жесткий объект, подвергающийся удару, своей конструкцией и запустить анализ.