基于多分辨率SPH-FEM耦合方法的鸟撞问题数值模拟

doi:10.7527/S1000-6893.2024.30116

固体力学与飞行器总体设计

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基于多分辨率SPH-FEM耦合方法的鸟撞问题数值模拟

马明瑞¹, 陈福振¹^,²(), 严红¹^,², 刘凡¹^,²

^1.西北工业大学动力与能源学院，西安 710129
^2.西北工业大学太仓长三角研究院，太仓 215400

收稿日期:2024-01-05 修回日期:2024-01-30 接受日期:2024-02-23 出版日期:2024-11-15 发布日期:2024-03-14
通讯作者: 陈福振 E-mail:chenfuzhen@nwpu.edu.cn
基金资助:
陕西省重点研发计划(2022SF-151);太仓市科技计划(TC2022JC10)

Numerical simulation of bird strike based on multi-resolution SPH-FEM coupling method

Mingrui MA¹, Fuzhen CHEN¹^,²(), Hong YAN¹^,², Fan LIU¹^,²

^1.School of Power and Energy，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 　710129，China
^2.Yangtze River Delta Research Institute of NPU，Northwestern Polytechnical University，Taicang 　215400，China

Received:2024-01-05 Revised:2024-01-30 Accepted:2024-02-23 Online:2024-11-15 Published:2024-03-14
Contact: Fuzhen CHEN E-mail:chenfuzhen@nwpu.edu.cn
Supported by:
Key Research and Development Plan of Shaanxi Province(2022SF-151);Science and Technology Plan of Taicang City(TC2022JC10)

摘要/Abstract

摘要：

本文针对航空发动机风扇叶片鸟撞问题的数值模拟方法研究，提出了一种考虑有限单元自适应生成的多分辨率SPH-FEM耦合方法。首先，新方法通过在FEM单元内部插值点处设置一组背景粒子，克服了传统SPH-FEM耦合方法在耦合界面处对模型离散尺度的一致性要求；其次，新方法在传统有限元算法的基础上加入单元自适应生成算法和无反射边界条件，将计算过程中对模型所有单元的求解转变为对关键区域的部分单元进行求解，降低了计算成本。文章应用所建立的新耦合方法开展了多结构鸟体撞击航空发动机风扇叶片的数值模拟研究，分析了撞击的动态响应，揭示了叶片受鸟撞过程的损伤机理，对航空发动机风扇叶片抗鸟撞设计和提高飞行安全性具有重要意义。

关键词: 航空发动机, 风扇叶片, SPH-FEM, 鸟撞, 飞行安全

Abstract:

To study the problem of bird strike on aero-engine fan blades， this paper proposes a multi-resolution SPH-FEM coupling method considering adaptive generation of finite elements. Firstly， by setting a group of background particles at the interpolation points inside the FEM elements， the new method overcame the problem of consistency requirement of model discrete scale at the coupling interface in the traditional SPH-FEM coupling method. Secondly， by adding an element adaptive generation algorithm and applying the non-reflecting boundary condition， the new method changed the calculation range from all elements to elements at critical areas， reducing computational costs. Using this new coupling method， this study conducted numerical simulations of bird strikes on areo-engine fan blades， analyzed the dynamic response during the impact process， and revealed the damage mechanisms of fan blades under the condition of bird strikes. It is of important significance for the design of bird strike resistance for aero-engine fan blades and the improvement of flight safety.

Key words: aero-engine, fan blade, SPH-FEM, bird strike, flight safety

中图分类号:

V215

马明瑞, 陈福振, 严红, 刘凡. 基于多分辨率SPH-FEM耦合方法的鸟撞问题数值模拟[J]. 航空学报, 2024, 45(21): 230116.

Mingrui MA, Fuzhen CHEN, Hong YAN, Fan LIU. Numerical simulation of bird strike based on multi-resolution SPH-FEM coupling method[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(21): 230116.

图/表 40

图 1

图 2

图 3

图 4

图 5

图 6

图 7

图 8

图 9

图 10

图 11

图 12

图 13

表1

2A12铝合金材料参数［34］

参数	数值	参数	数值
$ρ$ /（kg·m^-3）	2 770	$n$	0.9
$E$ /GPa	71.7	$D 1$	0.116
$ε$	0.33	$D 2$	0.211
$A$ /MPa	400	$D 3$	-2.172
$B$ /MPa	635	$D 4$	0.012
$C$	0.005	$D 5$	-0.012 56
$m$	1.426	$ε ˙ 0$ /s^-1	0.001 1

表1

图 14

图 15

图 16

图 17

图 18

表2

图 19

表 3

鸟体血肉材料参数

参数	数值
$ρ 0$ /（kg·m^-3）	938
$P r$ /GPa	2.0
$γ$	7.0
$μ$ /（ $P a ⋅ s$ ）	300

表 3

表 4

鸟体骨骼材料参数

参数	数值	参数	数值
$ρ$ /（kg·m^-3）	1 500	$n Y$	0.6
$E$ /GPa	10	$D 1$	0.5
$ε$	0.3	$D 2$	0.1
$A$ /MPa	170	$D 3$	-0.2
$B$ /MPa	100	$D 4$	0.01
$C$	0.005	$D 5$	0
$m Y$	0	$ε ˙ 0$ / $s - 1$	0.001

表 4

图 20

图 21

图 22

图 23

图 24

图 25

表 5

风扇叶片材料参数［36］

参数	数值	参数	数值
$ρ$ /（kg·m^-3）	4 430	$n Y$	0.93
$E$ /GPa	113	$D 1$	-0.09
$ε$	0.33	$D 2$	0.25
$A$ /MPa	1 098	$D 3$	-0.5
$B$ /MPa	1 092	$D 4$	0.014
$C$	0.014	$D 5$	3.87
$m Y$	1.1	$ε ˙ 0$ / $s - 1$	0.000 5

表 5

图 26

表 6

3种模拟工况下的参数设置

撞击点叶高	$H / m$	$v 1 / m ⋅ s - 1$	$v 2 / m ⋅ s - 1$	$v 3 / m ⋅ s - 1$
75%	1.197 5	105.0	361.0	106.0
50%	0.945	105.0	284.9	83.6
25%	0.692 5	105.0	208.7	61.3

表 6

图 27

图 28

图 29

图 30

图 31

图 32

图 33

图 34

参考文献 36

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E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

计算方法	FEM单元数	计算耗时/s
完整模型	70 444	4 346
生成算法		1 516

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