防范A级航空灾难！Simdroid-MPM助力飞行器“耐鸟撞设计”
024年12月29日上午，韩国7C2216客机在务安国际机场降落时疑似遭鸟撞，导致起落架故障，最终飞机在降落过程中冲出跑道爆炸起火。事故中除2名乘务员获救外，其余179人全部遇难，令人扼腕叹息。
图 1 韩媒公布的鸟撞飞机瞬间画面
“鸟撞”的危害有多大？
据报道，全球每年发生的飞鸟撞机事件多达两万余起，因事故遭受的损失高达100亿美元。国际航空联合会将鸟撞（Bird-Strike）列入A级航空灾难，鸟撞已经成为威胁航空安全最危险的因素之一。
鸟撞机头：可能造成机头结构变形，尤其是雷达罩、风挡玻璃、起落架部件等敏感部位会受到损伤或破坏。
鸟撞机翼：机翼是飞机产生升力的关键部件。鸟撞可能会导致机翼前缘的蒙皮出现破损、撕裂，或损坏襟翼的传动装置，进而影响整机的空气动力学性能。
鸟撞发动机：飞鸟若被吸进发动机，可能导致发动机叶片弯曲变形、破损甚至断裂。严重时，发动机将会熄火、停转，飞机瞬间失去动力。
图 2 飞机周围的鸟群
如何防护？
鸟撞问题的防护策略之一对飞行器进行“耐鸟撞设计”。中国民用航空局颁布的《航空发动机适航标准CCAR−33》、以及美国联邦航空局颁布的《FAR 29.231》等规范条文，都明确规定了耐鸟撞防护设计的关键指标和操作细则。
图 3 飞机的前向部件都需要通过规定的鸟撞验证
针对具体型号的飞机开展“耐鸟撞设计”，其核心在于准确描述鸟体对飞行器部件所造成冲击损伤，如鸟撞机翼、鸟撞发动机等。传统的设计手段多依赖于试验研究，近些年随着计算机软硬件水平的提升与数值算法的升级迭代，基于第一性原理的数值模拟手段愈发受到工程师的重视。
耐鸟撞设计的数值仿真工具
相比于试验研究，数值模拟技术具有周期短、成本低、数据全面等优点。因此，在“耐鸟撞设计”的预研阶段，通过仿真开展多学科、跨尺度的撞击效能评估与精细优化，可显著提升研发质量与效率，降低模型试验的频次，在飞机结构的设计定型过程中具有不可替代的作用。
Simdroid-MPM充分利用了物质点法和有限元方法各自的优势，可准确模拟鸟撞过程中蒙皮、肋、梁、长桁等结构的大变形乃至断裂破坏问题，能够用于实际复杂飞行器结构的鸟撞模拟。
如图4所示的机翼模型中，飞机蒙皮、肋板、螺栓等结构件均采用有限元建模，鸟体采用物质点离散，求解算法则是基于云道智造的耦合物质点有限元法来模拟冲击动力响应过程。
图 4 在Simdroid-MPM中建立鸟撞尾翼前缘的模型
鸟撞过程伴随着鸟体和飞机结构体的极端变形，如何准确求解这类高度非线性的工程问题，对数值仿真工具的能力是巨大的挑战。
从图5~图7的仿真结果可以看出，在鸟撞机翼前缘过程中，鸟体呈流体状且发生了极端变形，并与结构发生了强烈的耦合作用，物理过程复杂，伴随着鸟体的飞溅、螺栓的失效、翼身结构的大变形甚至断裂破坏。
图 5 鸟体撞击机翼前缘后形成飞溅
图 6 尾翼前缘蒙皮发生严重变形最终破裂
图 7 内部支撑肋板在冲击载荷作用下的极端变形
更普惠的工具——仿真APP
为解决仿真建模过程复杂、专业性要求高的困难，云道智造自主研发的伏图（Simdroid）平台还提供了仿真APP开发功能。在平台中完成鸟撞尾翼前缘分析模型创建后，开发者可以将仿真模型封装为仿真APP。仿真APP开发器内置输入框、按钮、视图窗口等十余种界面控件，开发者无需掌握编程语言，通过简单的鼠标拖拽行为即可便捷地封装仿真模型与仿真流程，生成轻量化、可复用的仿真APP。在APP中调整参数，点击命令按钮（生成几何、离散化），即可自动生成鸟体和机翼前缘的模型，用于撞击过程的仿真分析。
使用者无需掌握复杂的仿真技术，只需通过运行仿真APP，即可获得专业的仿真结果。当鸟撞击飞机时，鸟的动量大小决定了鸟体撞向飞机的冲击力大小。在鸟撞机翼前缘分析APP中设置鸟体的质量（鸟体尺寸和密度）、撞击速度和撞击位置，点击计算按钮，即可获得撞击过程中鸟体的飞溅速度、机翼前缘的应力和应变，以及机翼前缘破坏情况的分析结果。
当鸟体质量为1.82kg、撞击速度为120m/s时的水平撞击仿真结果：
当鸟体质量为1.82kg、撞击速度为100m/s时的水平撞击仿真结果：
当鸟体质量为1.82kg、撞击速度为120m/s时的倾斜15度撞击仿真结果：
相比于昂贵的模型试验与复杂的仿真流程，仿真APP可显著降低用户的学习难度和使用成本，使用户迅速获得不同工况条件下的仿真结果。此外，仿真APP还能通过云图、动画等可视化手段，直观展示鸟撞事件对飞机结构造成的具体影响，极大提升教学、研发的效果与效率。可登陆Simapps网站申请试用伏图（Simdroid）。
