1. В Америке гусь врезался в летящий самолет (представлено видео) 2. О работах CompMechLab® и Центра компьютерного инжиниринга НИУ СПбПУ по расчетному сопровождению проектирования композитных конструкций самолета МС-21 для обеспечения птицестойкости

Опасное столкновение зафиксировала камера в салоне самолета. Пилот из Флориды совершал полет на высоте 300 метров. Неожиданно в кабину самолета Пайпер PA-32 врезалась огромная птица, разбив лобовое стекло. Оно разлетелось вдребезги.

Однако капитан судна сумел сохранить самообладание и спокойно посадил самолет на землю. Какое именно пернатое оказалось на пути самолета и чуть не стало причиной авиакатастрофы, пытаются установить эксперты. Предположительно, это был гусь.

Тем временем неспокойно и на восточном побережье США. Его атакуют полярные совы. Обычно они не проникали на юг дальше штата Мичиган. Однако в этом году белые птицы пересекли все границы ареала. В столице США полярная сова вызвала сенсацию, врезавшись в автобус.

И если любителей природы такое нашествие только радует, то персонал аэропортов выражает серьезное беспокойство. Совы осваивают пустые пространства рядом со взлётными полосами и мешают движению самолетов. В декабре прошлого года сотрудникам аэропорта Кеннеди в Нью-Йорке пришлось застрелить трех полярных сов, которые угрожали движению воздушных судов.

Эксперты спорят с причинами, заставившими сов мигрировать. Одни ученые связывают изменение ареала обитания пернатых хищников с ростом популяции грызунов в Канаде в результате глобального потепления. Чтобы прокормить себя и своё потомство, совы вынуждены мигрировать все дальше и дальше на юг.

По мнению других специалистов, глобальное потепление привело к исчезновению ледовых озер, на которых гнездились мелкие полярные утки и другие птицы, которыми питались совы. В итоге хищники вынуждены мигрировать либо дальше на север (где еще сохранились места обитания уток), либо далеко на юг, к берегам США. Поэтому появление большого числа сов объясняется обычной природной аномалией.

Публикация подготовлена сотрудниками CompMechLab® по материалам сайта дни.ру.

FEA.ru-комментарий. В 2012 г. сотрудниками лаборатории "Вычислительная механика" (CompMechLab®) НИУ СПбГПУ была выполнена НИОКР для ОАО "Корпорация "Иркут" по теме "Разработка методик многоуровневых конечно-элементных расчетов прочности элементов конструкции самолета МС-21". В рамках темы был выполнен следующий этап работ: "Создание методик расчета прочности и повреждений конструкции под действием ударных и динамических нагрузок. Валидация методик" (на основе LS-DYNA и Simulia/ABAQUS-технологии).

К 2016 году ОАО "Корпорация "Иркут" совместно с ОКБ им. А. С. Яковлева планирует создать семейство ближне-среднемагистральных пассажирских самолетов МС-21, имеющих широкие эксплуатационные возможности и ориентированных на российский и мировой рынок гражданских воздушных судов. В ряду особенностей конструкции самолетов будет активное использование композиционных материалов.

В соответствии с Авиационными правилами АП-25 самолет должен быть спроектирован так, чтобы была обеспечена возможность продолжения безопасного полета и посадки после столкновения с птицей при определенных условиях, таких как скорость и высота полета самолета, масса птицы. Таким образом, тестирование на птицестойкость является неотъемлемой частью разработки самолета.

Компоненты самолета, подверженные риску столкновения с птицами
 

Целью работы была разработка методики многоуровневого конечно-элементного (КЭ)  моделирования повреждений от ударных нагрузок элементов конструкции вертикального оперения (ВО) самолета МС-21 при столкновении с птицей. 

В ходе выполнения работы по исходным геометрическим  данным, предоставленным заказчиком, была разработана конечно-элементная модель вертикального оперения самолета МС-21, включающая в себя детали из композиционных материалов, алюминиевых и титановых сплавов и сотовых конструкций.

КЭ модель вертикального оперения самолета МС-21

Процесс столкновения птицы с хвостовым оперением самолета относится к высокоскоростным динамическим взаимодействиям с участием «мягкого» тела (птицы), что делает необходимым использование специальных моделей материалов с учетом влияния скорости деформаций. 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 воздействиях.

 

Серьезное внимание в работе уделено созданию и верификации математической модели материала птицы, выбору метода численного моделирования процесса контактного взаимодействия импактора птицы и элементов фюзеляжа самолета.

 

В гидродинамической модели материала его поведение определяется т.н. уравнениями состояния, описывающими зависимость давления от объема. При определении подходящей математической модели материала птицы и его параметров было рассмотрено 6 различных моделей, включающих в себя разные типы уравнений состояния, различные значения давления кавитации (пористость). По результатам верификации выбрана конкретная модель материала птицы для дальнейших исследований.

 

Результаты КЭ моделирования: деформированное состояние импактора, скорость столкновения
v₀ = 200 м/с (на основе ABAQUS-технологии)

Сравнение результатов численных и натурных экспериментов: пики зависимостей контактного
давления в центре контактной области от времени совпадают (пористость 10%)

 

При выборе конкретного подхода к численному моделированию процесса контактного взаимодействия импактора птицы и элементов фюзеляжа самолета были рассмотрены такие методы, как метод Лагранжа (Lagrange), метод Эйлера (Euler), связный метод Эйлера-Лагранжа (Coupled Euler Lagrange ― CEL) и метод сглаженных частиц (Smooth Particle Hydrodynamics ― SPH). В рамках исследования для верификации была разработана серия соответствующих КЭ моделей. По результатам были сделаны выводы об их точности, величине необходимых вычислительных ресурсов и принято решение об использовании подхода для дальнейших расчетов.

 

 

Анимация: деформированное состояние импактора, полученное связным методом Эйлера-Лагранжа
(слева) и методом Лагранжа (справа) на основе ABAQUS-технологии

 

 

Результаты КЭ моделирования: деформированное состояние импактора, полученное методом
сглаженных частиц (на основе LS-DYNA-технологии)

 

 

а) исследования Вилбека (1978)	б) моделирование методом Лагранжа	в) моделирование связным методом Эйлера-Лагранжа

Интерпретация результатов: сравнение зависимостей нормированного давления от нормированного времени
 

Решения, полученные методом сглаженных частиц, сильно зависят от параметров модели, поэтому для дальнейших расчетов этот метод не использовался.

В заключительной части работы проведена серия численных экспериментов и определены области и характер повреждений элементов оперения. Рассматриваются три варианта столкновения птицы с ВО самолета в направлении оси х в трех различных позициях: две по центру обшивки носка киля между нервюрами и одна по центру обшивки форкиля между нервюрами.

     

     

Пластические деформации форкиля