鸟弹几何形状的设计方法及其鸟弹与流程

1.本发明涉及飞行碰撞试验技术领域，特别是涉及一种鸟弹几何形状的设计方法及其鸟弹。


背景技术：

2.鸟撞试验和鸟撞有限元仿真分析是飞机或飞机发动机在进行抗鸟击设计和适航取证过程中必须进行的一项关键工作。在进行鸟撞试验或鸟撞仿真分析时，均需根据需要模拟真实鸟体的形貌来对试验或仿真用的鸟弹几何形状进行设计，鸟弹的几何形状直接影响着鸟撞试验和鸟撞仿真分析的结果，是进行飞机或飞机发动机相关鸟撞分析工作时关键的输入参数。由于圆柱体、椭球体和胶囊体(中间圆柱加两端半球)能够比较符合鸟撞时实际鸟体飞行的形貌特点，因此目前国内外在开展鸟撞分析时，常常使用以上三种简化形状来对鸟弹进行几何设计，但是在设计时一般均未充分考虑真实鸟体的实际几何尺寸，而是简单地使用一些常规做法来对鸟弹几何形状进行设计。
3.目前针对圆柱体、椭球体和胶囊体鸟弹进行形状设计时，基本都是以长径2:1的方式来进行以上三种形状的鸟弹外形设计，如论文《鸟体形状对飞机风挡鸟撞动态响应的影响》、《鸟体力学模型仿真研究》和《用于鸟撞试验的仿真鸟弹研究》等研究论文均采用以上方式来构造鸟弹的几何形状。然而，长径比2:1不能代表所有鸟体的形貌特征，真实鸟体的长径比大多都不符合2:1这个假设，因此长径比2:1不具备普遍性，以此来作为三种鸟弹(圆柱体、椭球体和胶囊体)的几何形状设计依据不能很好地反映真实鸟体的具体形貌。此种设计方式导致鸟弹不能有效地反映鸟体实际的几何形貌特点，行业目前也尚未形成能较为真实地反映实际鸟体形貌的鸟弹几何形状工程设计方法。
4.在进行鸟几何合形状设计时，必须要结合真实鸟体的具体几何形貌，但是目前现有技术在进行三种鸟弹几何形状设计时，缺少对鸟体真实几何形貌的考虑，无法有效模拟反映真实鸟体的几何形貌，使得相关鸟撞试验或鸟撞仿真分析结果的真实性大打折扣。


技术实现要素：

5.基于此，有必要针对鸟弹几何形状设计时无法真实模拟鸟体形貌导致鸟撞试验失真的问题，提供一种鸟弹几何形状的设计方法及其鸟弹。
6.一种鸟弹几何形状的设计方法，包括以下步骤：
7.确定所需模拟的鸟类，测量所述鸟类的成年鸟体在第一状态下的最大圆周长并计算出最大直径，所述第一状态为所述成年鸟体在双翅自然合并下的状态；
8.测量所述成年鸟体在所述第一状态下的各部位长度，并计算出躯干长度；
9.以所述最大直径和所述躯干长度设计所述鸟弹的几何尺寸。
10.进一步地，所述各部位长度包括所述鸟体的全身长度、所述鸟体的嘴峰长度和所述鸟体的尾巴长度。
11.进一步地，所述躯干长度为所述鸟体的全身长度减去所述鸟体的嘴峰长度和所述
鸟体的尾巴长度。
12.进一步地，所述几何尺寸包括第一方向上的长度和第二方向上的截面尺寸，所述第一方向垂直所述第二方向，所述第一方向上的长度为所述躯干长度，所述第二方向上的截面为圆弧面，最大的所述圆弧面直径为所述最大直径。
13.进一步地，所述鸟弹为圆柱体鸟弹，所述最大直径为所述圆柱体鸟弹的直径，所述躯干长度为所述圆柱体鸟弹的长度。
14.进一步地，所述鸟弹为胶囊体鸟弹，所述最大直径为所述胶囊体鸟弹的端部半球的直径，所述躯干长度为所述胶囊体鸟弹的长度。
15.进一步地，所述鸟弹为椭球体鸟弹，所述最大直径为所述椭球体鸟弹的短轴，所述躯干长度为所述椭球体鸟弹的长轴。
16.进一步地，提供一种鸟弹，采用以上所述的鸟弹几何形状的设计方法完成，包括：
17.纵向截面，所述纵向截面包括多个沿第一方向设置的圆弧面，所述圆弧面的面积沿所述第一方向相等或不等，最大的所述圆弧面的直径为所述成年鸟体在所述第一状态下的所述最大直径；
18.横向截面，所述横向截面包括沿第二方向设置的矩形面或者弧形面，所述第二方向垂直所述第一方向，所述矩形面或者所述弧形面的最大长度为所述成年鸟体的所述躯干长度。
19.进一步地，所述圆弧面的面积沿所述第一方向向两端逐渐收缩。
20.进一步地，所述鸟弹的构成材质为明胶。
21.本技术所提供的鸟弹几何形状的设计方法，试验者首先确定好需要模拟的鸟类型，通过测量该种鸟类的成年鸟体在双翅自然合并状态下的最大圆周长，并计算出最大直径，同时测量出成年鸟体在双翅自然合并状态下的躯干长度，由最大直径和躯干长度确定鸟弹的几何尺寸。本技术所提供的鸟弹几何形状的设计方法基于真实鸟体的形貌数据进行，所设计出的鸟弹能够最大限度地接近于鸟体的真实形貌，鸟弹真实度高，可有效地提供相关鸟撞试验或者鸟撞仿真分析结果的真实性，从而切实提升飞机或者飞机发动机的抗鸟击能力。
附图说明
22.图1为本技术一种实施例的鸟弹几何形状的设计方法流程图；
23.图2a为本技术一种实施例的鸟弹几何形状的设计方法的成年鸟体的最大直径及全身长度测量示意图；
24.图2b为本技术一种实施例的鸟弹几何形状的设计方法的成年鸟体的嘴峰长度测量示意图；
25.图2c为本技术一种实施例的鸟弹几何形状的设计方法的成年鸟体的尾巴长度测量示意图；
26.图3a为本技术一种实施例的鸟弹几何形状的设计方法的圆柱体鸟弹几何尺寸示意图；
27.图3b为本技术一种实施例的鸟弹几何形状的设计方法的胶囊体鸟弹几何尺寸示意图；
28.图3c为本技术一种实施例的鸟弹几何形状的设计方法的椭球体鸟弹几何尺寸示意图；
29.其中，l为鸟体的全身长度，l1为鸟体的躯干长度，l2为鸟体的嘴峰长度，l3为鸟体的尾巴长度，c为鸟体的最大圆周长，d为最大直径；
30.a-a、第一方向，b-b、第二方向。
具体实施方式
31.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
32.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
33.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
34.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
35.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
36.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
37.鸟撞试验和鸟撞有限元仿真分析是飞机或飞机发动机在进行抗鸟击设计和适航取证过程中必须进行的一项关键工作。在进行鸟撞试验或鸟撞仿真分析时，均需根据需要模拟真实鸟体的形貌来对试验或仿真用的鸟弹几何形状进行设计，鸟弹的几何形状直接影响着鸟撞试验和鸟撞仿真分析的结果，是进行飞机或飞机发动机相关鸟撞分析工作时关键
l3。具体可见图2a-图2c所示的鸟体各部位长度测量示意图。
47.以山麻雀为例，测量成年山麻雀双翅自然合并状态下的身体全长l＝136mm，嘴峰长度l2＝11.3mm，尾巴长度l3＝49.2mm，计算得出山麻雀鸟体的躯干长度l1为：
48.l1＝l-l2-l3＝136mm-11.3mm-49.2mm＝75.5mm
49.s3：以所述最大直径和所述躯干长度设计所述鸟弹的几何尺寸。
50.在设计鸟弹时，为了最大可能地接近于真实鸟体情况，通常采用长径比进行设计，即长度和直径相比后的值进行设计。目前常见的鸟弹采用长径比为2：1来进行设计，虽然设计起来较为简单，但是并不能真实反应鸟体的尺寸，进而导致撞击试验误差较大。在确定了最大直径d和躯干长度l1后，根据最大直径d和躯干长度l1设定具有不同结构的鸟弹尺寸，具体包括但不限于圆柱体鸟弹、胶囊体鸟弹和椭球体鸟弹。
51.进一步地，根据不同类型的鸟弹设计其几何尺寸，几何尺寸包括第一方向a-a上的长度和第二方向b-b上的截面尺寸，第一方向a-a垂直第二方向b-b。具体可参照鸟体结构，鸟弹在第一方向a-a上的长度相当于鸟体的躯干长度l1，鸟弹在第二方向b-b上的截面尺寸相当于鸟体的最大圆周面积，因此，可设定第一方向a-a上的长度为躯干长度l1，第二方向b-b上的截面为圆弧面，最大的圆弧面直径为最大直径d。
52.根据常见的三种不同类型的鸟弹，可设定鸟弹的外形结构为圆柱体鸟弹、胶囊体鸟弹和椭球体鸟弹，具体参照图3a-图3c中所述的三种类型鸟弹的几何尺寸示意图。
53.当鸟弹的结构为圆柱体鸟弹时，最大直径d为圆柱体鸟弹的直径，躯干长度l1为圆柱体鸟弹的长度。
54.以山麻雀为例，圆柱体鸟弹直径d＝35mm，长度l1＝75.5mm。
55.当鸟弹的结构为胶囊体鸟弹时，最大直径d为胶囊体鸟弹的端部半球的直径，躯干长度l1为胶囊体鸟弹的长度。
56.以山麻雀为例，胶囊体鸟弹的端部半球的直径d＝35mm，长度l1＝75.5mm。
57.当鸟弹的结构为椭球体鸟弹时，最大直径d为椭球体鸟弹的短轴，躯干长度l1为椭球体鸟弹的长轴。
58.以山麻雀为例，椭球体鸟弹的短轴d＝35mm，长轴l1＝75.5mm。
59.本技术在充分考虑真实鸟体几何形貌的基础之上，对圆柱体、椭球体和胶囊体(中间圆柱加两端半球)三种形貌的鸟弹形状提出了具体的几何形状设计方法，本方法可解决目前常用鸟弹形状设计方法缺少对真实鸟体形貌考虑的问题，依据本技术所设计出来的鸟弹可有效模拟真实鸟体的形貌，提高相关鸟撞试验和鸟撞仿真分析结果的真实性水平，从而增强飞机或飞机发动机的抗鸟击能力。
60.本技术所提供的鸟弹几何形状的设计方法，试验者首先确定好需要模拟的鸟类型，通过测量该种鸟类的成年鸟体在双翅自然合并状态下的最大圆周长，并计算出最大直径，同时测量出成年鸟体在双翅自然合并状态下的躯干长度，由最大直径和躯干长度确定鸟弹的几何尺寸。本技术所提供的鸟弹几何形状的设计方法基于真实鸟体的形貌数据进行，所设计出的鸟弹能够最大限度地接近于鸟体的真实形貌，鸟弹真实度高，可有效地提供相关鸟撞试验或者鸟撞仿真分析结果的真实性，从而切实提升飞机或者飞机发动机的抗鸟击能力。
61.进一步地，本技术提供一种鸟弹，采用以上所述的鸟弹几何形状的设计方法完成，
包括：
62.纵向截面，即图3a-图3c中所示的结构横截面。所述纵向截面包括多个沿第一方向a-a设置的圆弧面，所述圆弧面的面积沿所述第一方向a-a相等或不等，最大的所述圆弧面的直径为所述成年鸟体在所述第一状态下的所述最大直径d。当鸟弹结构采用圆柱体结构时，圆弧面的面积沿第一方向a-a相等，而当鸟弹结构为椭球体或者胶囊体时，圆弧面的面积沿第一方向a-a不等。
63.横向截面，即图3a-图3c中所示的截面。所述横向截面包括沿第二方向b-b设置的矩形面或者弧形面，所述第二方向b-b垂直所述第一方向a-a，所述矩形面或者所述弧形面的最大长度为所述成年鸟体的所述躯干长度l1。即当鸟弹结构采用圆柱体结构时，横向截面为矩形面，而当鸟弹结构为椭球体或者胶囊体时，横向截面为弧形面。
64.进一步地，所述圆弧面的面积沿所述第一方向a-a向两端逐渐收缩，该种情况下，鸟弹结构为椭球体或者胶囊体结构。
65.进一步地，所述鸟弹的构成材质为明胶。采用明胶材质的鸟弹，能够在材质上最大可能地模拟生物体，因此无论在体积还是在质量上都更接近于真实的鸟类，从而提升撞击试验的准确度。
66.本技术所提供的鸟蛋，通过仿真设计方法而来，能够最大可能地拟合现有鸟体的形状，生物相似度高，因而采用该种结构的鸟蛋，在进行飞行器碰撞试验时，能够最大可能地拟合实际鸟体撞击的场景，所获得的试验数据更加真实可靠，能够有效地提高鸟撞试验或者鸟撞仿真分析结果的真实性，提升飞行器的抗鸟击能力。
67.本技术所提供的鸟弹几何形状设计方法是基于真实鸟体的形貌数据进行的，利用本技术的技术路径可设计出不同鸟类的三种鸟弹几何形状，所设计出来的鸟弹形状真实度高，可有效提高相关鸟撞试验或鸟撞仿真分析结果的真实性，从而切实提升飞机或飞机发动机的抗鸟击能力。
68.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
69.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。