Список выполненных НИОКР

Разработка методики конечно-элементного моделирования повреждений от ударных нагрузок защитной сетки вертолётного двигателя при столкновении с птицей (2013 г.)

Ключевые слова Птицестойкость, защитная сетка, удар, конечно-элементная модель
Программное обеспечение ANSA, SIMULIA/Abaqus, LS-DYNA
Период проведения 2013 г.

Проблема птицестойкости актуальна не только для самолётов, но и для вертолётов. Попадание птицы в двигатель вертолёта может привести к существенным повреждениям его конструкции и даже полной потере работоспособности двигателя. В соответствии с Авиационными правилами АП-29 винтокрылые аппараты должны быть спроектированы так, чтобы была обеспечена возможность продолжения безопасного полета и посадки после столкновения с птицей (в Правилах уточняются определённые условия, такие как скорость и высота полета самолета, масса птицы). Таким образом, тестирование на птицестойкость является неотъемлемой частью разработки вертолётов и других винтокрылых летательных аппаратов.

Двигатель вертолёта с мотогондолой

Двигатель вертолёта с мотогондолой и его расположение в современных машинах

 

Для защиты двигателя от попадания птиц может использоваться защитная сетка, устанавливаемая в воздухозаборник. Она должна быть легкой и достаточно прочной, чтобы выдержать удар птицы и не допустить её попадания внутрь конструкции. Защитная сетка также может применяться в сложных технических системах, авиа- и вертолётостроении, крупногабаритных многофункциональных конструкциях, в области механики ударного взаимодействия.

В 2013 г. сотрудниками лаборатории "Вычислительная механика" (CompMechLab®) было выполнено исследование,  основными целями которого являлись:

  • разработка полномасштабной геометрической и конечно-элементной моделей защитной сетки и ударника птицы;
  • выполнение верификации математических моделей материалов ударника;
  • разработка методики КЭ моделирования процессов динамического взаимодействия защитной сетки и импактора птицы.

Основным методом выполнения работы служил метод конечных элементов и мультидисциплинарные наукоемкие компьютерные технологии мирового уровня на основе современных теоретических положений механики деформируемого твёрдого тела.

Защитная сетка, используемая в работе, состоит из прутков металлической проволоки, переплетенных между собой. Для моделирования проволоки сетки используются балочные элементы, причем каждый балочный элемент имеет на внешней поверхности по шесть дополнительно созданных контактных элементов. Это необходимо для корректного моделирования динамического контактного взаимодействия с моделью ударника птицы.

КЭ модель проволоки защитной сетки

КЭ модель проволоки защитной сетки

 

Процесс столкновения птицы с защитной сеткой относится к высокоскоростным динамическим взаимодействиям с участием «мягкого» тела (птицы), что делает необходимым использование специальных моделей материалов с учетом влияния скорости деформаций. Установлено, что при высокоскоростных процессах тело птицы ведет себя как жидкость, поэтому в данной работе использовалась гидродинамическая модель материала для описания достаточно сложного строения тел реальных птиц при высокоскоростных взаимодействиях. По результатам верификации выбрана конкретная модель материала птицы для дальнейших исследований, заданная с помощью уравнений состояния – зависимости давления от объемных деформаций в тел.

Общий вид КЭ модели ударника

 

В заключительной части работы проведено КЭ моделирование динамического взаимодействия защитной сетки с импактором птицы. Для описания этого процесса используется связный метод Эйлера-Лагранжа (Coupled Euler Lagrange ― CEL), при котором детали защитной сетки моделируются по методу Лагранжа, а импактор птицы – при помощи метода Эйлера. Математические модели материалов учитывают зависимость упругопластических свойств от скорости деформаций, что играет важную роль при исследовании высокоскоростных процессов. Также моделируется возможность разрушения материалов под действием нагрузок.

Начальные и граничные условия задачи и схема плетения сетки

Начальные и граничные условия задачи и схема плетения сетки

 

Анимация: удар импактором птицы в защитную сетку

Анимация: удар импактором птицы в защитную сетку

 

При моделировании разработанным в работе методом возможно получить такие эффекты, как разрушение сетки и нарушение целостности импактора птицы. В данном случае большая часть импактора удерживается защитной сеткой, однако небольшая часть все же проходит сквозь нее и попадет во внутренние части конструкции, что может повлечь за собой её повреждения.

В качестве основных результатов проделанной работы можно выделить следующие:

  • разработаны полномасштабные пространственные конечно-элементные модели защитной сетки и ударника птицы с учетом гидродинамической модели материала;
  • выполнена верификация математических моделей материалов ударника;
  • разработана процедура построения КЭ модели птицы для решения динамической задачи контактного взаимодействия птицы и защитной сетки;
  • разработана методика КЭ моделирования повреждений от ударных нагрузок защитной сетки при столкновении с птицей.

Проведенные исследования и разработанные КЭ модели являются основой для дальнейших исследований динамических задач контактного взаимодействия защитной сетки с импактором птицы, а также оценки прочности, устойчивости и пробиваемости защитной сетки и различных конструкций, выполненных с ее использованием. Разработанная методика моделирования позволяет также исследовать процесс придания формы изделию, например, посредством гибки плоской сетки. Неизбежным последствием процесса гибки является возникновение остаточных напряжений, которые также возможно оценить и учесть их влияние на поведение итоговой конструкции.

Публикация подготовлена сотрудниками CompMechLab® на основе работы, выполненной в 2013 г.