СТВОРЕННЯ РОЗРАХУНКОВОЇ МОДЕЛІ УДАРУ ПТАХА З ТИТАНОВИМИ АБО МЕТАЛ-МАТРИЧНИМИ ЛОПАТКАМИ ВЕНТИЛЯТОРА ТУРБОВЕНТИЛЯТОРНОГО ДВИГУНА

Автор(и)

  • Володимир Мартиненко Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Україна https://orcid.org/0000-0002-9471-0905
  • Геннадій Мартиненко Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Україна https://orcid.org/0000-0001-5309-3608

DOI:

https://doi.org/10.20998/2078-9130.2026.1.356605

Ключові слова:

титанові матричні композити; явна динаміка; гідродинаміка згладжених частинок; газотурбінний двигун; лопатка вентилятора; модель Джонсона-Кука; обчислювальна механіка; конструкційна цілісність

Анотація

Невпинна еволюційна траєкторія сучасної комерційної авіації визначається одночасним прагненням до ефективності та легкості конструкції. Оскільки архітектура газотурбінних двигунів переходить до надвисокого ступеня двоконтурності для мінімізації питомої витрати палива та акустичних шумів, діаметр вентилятора неминуче збільшується, що провокує «спіраль ваги», яка кидає виклик межам питомої міцності традиційних монолітних титанових сплавів. Робота представляє комплексне теоретичне та обчислювальне дослідження конструкційної міцності лопаток з титанового сплаву, а також метал-матричного композиту на основі титанової матриці, зміцненого частинками карбіду кремнію, як кращої альтернативи для лопаток вентиляторів наступного покоління. Вирішуючи критичні вимоги льотної придатності щодо стійкості до зіткнення з птахами, розроблено високоточну чисельну модель, яка поєднує метод гідродинаміки згладжених частинок для птаха-ударника з явним нелінійним лагранжевим аналізом методом скінченних елементів. В роботі представлено вдосконалену стратегію визначального моделювання, яка синтезує в’язкопластичну модель Джонсона-Кука з законами еволюції анізотропного пошкодження, відкаліброваними для квазікрихкої механіки руйнування, характерної у тому числі для композитів, зміцнених дисперсними частинками. Крім того, ця робота безпосередньо інтегрує передові обчислювальні методології, включаючи еквівалентне динамічне навантаження для швидкого параметричного визначення розмірів та алгоритмічну динамічну релаксацію для демпфування паразитних коливань, щоб підвищити точність ініціалізації напружено-деформованого стану в деталях, що обертаються. Результати демонструють, що розрахункова модель підходить для оцінки міцності лопаток вентилятора турбовентиляторного двигуна з метал-матричного композиту на основі титанової матриці.

Посилання

  1. Y. Zhang, F. Wang, J. Liu, H. Zhao, C. Fu, W. Zhai, and K. Lu, "A survey of aero-engine blade modeling and dynamic characteristics analyses," Aerospace, vol. 11, no. 8, p. 638, 2024, doi: https://doi.org/10.3390/aerospace11080638.
  2. R. Oruç, S. Aktemur, M. Yaşar, and Ö. Ö. Kanat, "Birds vs. metallic birds: a review of bird strikes in aviation," Journal of Aviation, vol. 6, no. 3, pp. 372–379, 2022, doi: https://doi.org/10.30518/jav.1152384.
  3. D. B. Miracle, "Metal matrix composites – From science to technological significance," Composites Science and Technology, vol. 65, no. 15-16, pp. 2526–2540, 2005, doi: https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2005.05.027.
  4. M. D. Hayat, H. Singh, Z. He, and P. Cao, "Titanium metal matrix composites: An overview," Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, vol. 121, pp. 418–438, 2019, doi: https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2019.04.005.
  5. R. Hedayati and M. Sadighi, Bird strike: an experimental, theoretical and numerical investigation. Woodhead Publishing, 2015, doi: https://doi.org/10.1016/B978-0-08-100093-9.00003-0.
  6. R. Vignjevic, M. Orłowski, T. De Vuyst, and J. C. Campbell, "A parametric study of bird strike on engine blades," International Journal of Impact Engineering, vol. 60, pp. 44–57, 2013, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2013.04.003.
  7. M. A. McCarthy, J. R. Xiao, C. T. McCarthy, A. Kamoulakos, J. Ramos, J. P. Gallard, and V. Melito, "Modelling bird impacts on an aircraft wing - Part 2: Modelling the impact with an SPH bird model," International Journal of Crashworthiness, vol. 10, pp. 51–59, 2005, doi: https://doi.org/10.1533/ijcr.2005.0325.
  8. Federal Aviation Administration (FAA), "Wildlife Strikes to Civil Aircraft in the United States, 1990-2024," National Wildlife Strike Database Serial Report, 2025.
  9. EASA, "Bird Strike and Ingestion - Bird orientation," Deviation ref. M-TS-0000414, 2025.
  10. J. Cwiklak, E. Kobiałka, and A. Gos, "Experimental and numerical investigations of bird models for bird strike analysis," Energies, vol. 15, no. 10, p. 3699, 2022, doi: https://doi.org/10.3390/en15103699.
  11. K.-M. Ha, "Bird strikes on civil aircraft: A systematic literature review," Transportation Research Interdisciplinary Perspectives, vol. 34, p. 101755, 2025, doi: https://doi.org/10.1016/j.trip.2025.101755.
  12. J. Zhang, W. Chen, J. Li, Y. Liu, F. Zhang, P. Li, C. Hu, and Q. Chang, "Spatiotemporal patterns of bird strikes at civil airports across China inferred from DNA barcoding (2012–2024)," Avian Research, vol. 17, is. 2, p. 100366, 2026, doi: https://doi.org/10.1016/j.avrs.2026.100366.
  13. C. Sun, Q. Sun, J. Li, and C. Hu, "Migratory bird species as the primary contributors to wildlife collisions: a case study at Shanghai Pudong International Airport, China," BMC Zoology, vol. 11, no. 10, 2026, doi: https://doi.org/10.1186/s40850-026-00257-3.
  14. M. Guida, F. Marulo, F.-Z. Belkhelfa, and P. Russo, "A review of the bird impact process and validation of the SPH impact model for aircraft structures," Progress in Aerospace Sciences, vol. 129, p. 100787, 2022, doi: https://doi.org/10.1016/j.paerosci.2021.100787.
  15. A. Pavlovic and G. Minak, "FEM-SPH numerical simulation of impact loading on floating laminates," Journal of Marine Science and Engineering, vol. 11, no. 8, p. 1590, 2023, doi: https://doi.org/10.3390/jmse11081590.
  16. A. Garg, W. Zheng, M.-O. Belarbi, and L. Li, "A review on the hybrid SPH-FEM-based bird impact analysis of laminated composite panels," Journal of Reinforced Plastics and Composites, 2025, doi: https://doi.org/10.1177/07316844251384370.
  17. Y. Zheng and C. Yan, "A coupled FDEM–SPH model for simulating problems of fluid–solid interaction," International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, vol. 49, no. 14, pp. 3317–3336, 2025, doi: https://doi.org/10.1002/nag.70017.
  18. S. Stoter, S. C. Divi, H. Van Brummelen, M. G. Larson, F. de Prenter, and C. V. Verhoosel, "Critical time-step size analysis and mass scaling by ghost-penalty for immersogeometric explicit dynamics," Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, vol. 412, p. 116074, 2023, doi: https://doi.org/10.1016/j.cma.2023.116074.
  19. M. H. Siemann and S. A. Ritt, "Novel particle distributions for SPH bird-strike simulations," Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, vol. 343, pp. 746–766, 2023, doi: https://doi.org/10.1016/j.cma.2018.08.044.
  20. V. Merculov, M. Kostin, G. Martynenko, N. Smetankina, and V. Martynenko, "Peculiarities of the modelling of the bird dynamic impact on fan blades of an aircraft turbojet engine at operating modes," Lecture Notes in Networks and Systems, vol. 367, pp. 462–473, 2021, doi: https://doi.org/10.1007/978-3-030-94259-5_39.
  21. G. Martynenko and V. Martynenko, "Computer modeling and simulation analysis of linear and nonlinear phenomena of rotor dynamics in systems with magnetic bearings," in 2021 IEEE 2nd KhPI Week on Advanced Technology (KhPIWeek), pp. 213–217, 2021, doi: https://doi.org/10.1109/KhPIWeek53812.2021.9570097.
  22. G. Martynenko and V. Martynenko, "Identification of computational models of the dynamics of gas turbine unit rotors with magnetic bearings by incomplete data for design automation," Lecture Notes in Networks and Systems, vol. 188, pp. 451–463, 2021, doi: https://doi.org/10.1007/978-3-030-66717-7_38.
  23. V. G. Martynenko and M. I. Hrytsenko, "Analysis of static and dynamic strength of the axial fan considering aerodynamic properties of the flow and nonuniformity of temperature field," Journal of Mechanical Engineering, vol. 18, no. 4/1, pp. 44–52, 2015.
  24. V. Martynenko, M. Hrytsenko, and G. Martynenko, "Technique for evaluating the strength of composite blades," Journal of The Institution of Engineers (India): Series C, vol. 101, no. 3, pp. 451–461, 2020, doi: https://doi.org/10.1007/s40032-020-00572-9.
  25. G. Martynenko, V. Martynenko, and I. Pidkurkova, "Parametric numerical analysis of restoring magnetic forces dependences in radial active magnetic bearings with a given control law," in 2022 IEEE 4th International Conference on Modern Electrical and Energy Systems, pp. 1–6, 2022, doi: https://doi.org/10.1109/MEES58014.2022.10005766.
  26. J. Zhu, H. Zhi, T. Huang, N. Ding, and Z. Yan, "Research on the Johnson–Cook constitutive model and failure behavior of TC4 alloy," Metals, vol. 15, no. 9, p. 951, 2025, doi: https://doi.org/10.3390/met15090951.
  27. V. G. Martynenko, M. I. Hrytsenko, and S. V. Mavrody, "Proektuvannya, analiz ta eksperymentalne doslidzhennya statychnoyi mitsnosti kompozytsiynoyi bimetalichnoyi lopatky ventylyatora holovnoho provitryuvannya shakhty," Visnyk Natsionalnoho tekhnichnoho universytetu «KhPI». Seriya: Dynamika I mitsnist mashyn, no. 38, pp. 20–31, 2018, doi: https://doi.org/10.20998/2078-9130.2018.38.152477.
  28. J. Shao, H. Xie, N. Liu, Y. Yang, and Z. Zheng, "An improved composite impact damage model and bird-striking damage analysis with smoothed particle hydrodynamics-finite element method," Journal of Reinforced Plastics and Composites, vol. 43, is. 15-16, pp. 939–958, 2023, doi: https://doi.org/10.1177/07316844231198304.
  29. S. Karami, M. Haghighi-Yazdi, and M. Safarabadi, "Low-velocity impact behavior of 3D-printed sandwich panels with integrated composite face sheets," Advanced Engineering Materials, vol. 27, no. 1, p. 2401923, 2025, doi: https://doi.org/10.1002/adem.202401923.
  30. V. G. Martynenko, "An original technique for modeling of anisotropic viscoelasticity of orthotropic materials in finite element codes applied to the mechanics of plates and shells," Mechanics and Mechanical Engineering, vol. 21, no. 2, pp. 389–413, 2017.
  31. V. G. Martynenko and G. I. Lvov, "Numerical prediction of temperature-dependent anisotropic viscoelastic properties of fiber reinforced composite," Journal of Reinforced Plastics and Composites, vol. 36, no. 24, pp. 1790–1801, 2017, doi: https://doi.org/10.1177/0731684417727064.
  32. G. Martynenko, K. Avramov, V. Martynenko, M. Chernobryvko, A. Tonkonozhenko, and V. Kozharin, "Numerical simulation of warhead transportation," Defence Technology, vol. 17, is. 2, pp. 478–494, 2021, doi: https://doi.org/10.1016/j.dt.2020.03.005.
  33. Z. Shirzadeh, M. Fakoor, and Z. Daneshjoo, "Simulating delamination in composite laminates with fracture process zone effects: A novel cohesive zone modeling approach," Engineering Fracture Mechanics, vol. 315, p. 110834, 2025, doi: https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2025.110834.
  34. W. Zhang, X. Chen, and J. Yang, "A convenient method for simulating crack propagation in panel structures based on the secondary development of ABAQUS," Engineering Proceedings, vol. 80, no. 1, p. 24, 2025, doi: https://doi.org/10.3390/engproc2024080024.
  35. Y. Zhai, S. Li, and X. Zhang, "Vibration performance of composite doubly curved shells embedded with damping layer," International Journal of Structural Stability and Dynamics, p. 2650265, 2025, doi: https://doi.org/10.1142/S0219455426502652.
  36. M. A. Bin Riaz and M. Guden, "A review of the experimental and numerical studies on the compression behavior of the additively produced metallic lattice structures at high and low strain rates," Defence Technology, vol. 49, pp. 1–49, 2025, doi: https://doi.org/10.1016/j.dt.2025.01.003.
  37. A. Garg, N. K. Shukla, M.-O. Belarbi, D. Mukherjee, M. Pushpavalli, R. Raman, M Avcar, M. S. Narula, and L. Li, "Bird strike-induced damage studies on bio-inspired laminated plates with holes," Aerospace Science and Technology, vol. 162, p. 110200, 2025, doi: https://doi.org/10.1016/j.ast.2025.110200.
  38. M. A. Aslam, S. Bin Rayhan, and K. Zhang, "Dynamic response of structurally reinforced wing leading edge against soft impact," Aerospace, vol. 9, no. 5, p. 260, 2022, doi: https://doi.org/10.3390/aerospace9050260.
  39. A. Garg, A. Sharma, W. Zheng, and L. Li, "Dactyl club and nacre-inspired impact resistant behavior of layered structures: A review of present trends and prospects," Thin-Walled Structures, vol. 41, p. 110553, 2024, doi: https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2024.110553.
  40. M. A. S. Siddiqui, M. S. Rabbi, and M. T. Rahman, "An experimental review on enhancing the low and high-velocity impact resistance of NFCs through nanoparticle reinforcement," Journal of Reinforced Plastics and Composites, vol. 44, no. 17-18, pp. 1270–1298, 2024, doi: https://doi.org/10.1177/07316844241240569.
  41. Z. Iqbal, M. A. Umer, K. Asim, and H. A. Khan, "Investigating damage resistance in aerospace radome applications: Experimental analysis of hybrid sandwich composites," Journal of Reinforced Plastics and Composites, vol. 44, no. 15-16, pp. 849–864, 2025, doi: https://doi.org/10.1177/07316844241229849.
  42. Z. Hasılcı, M. E. Boğoçlu, A. S. Dalkilic, and A. Kayran, "Development of a prediction model using fully connected neural networks in the analysis of composite structures under bird strike," Journal of Mechanical Science and Technology, vol. 36, pp. 709–722, 2022, doi: https://doi.org/10.1007/s12206-022-0119-5.
  43. C. Ganesan, S. Kondadi, U. Udaymohan, D. Singh, and M. Anthony Raja, "Numerical analysis of bird impact over the aircraft windshield," International Journal of Vehicle Structures & Systems, vol. 14, pp. 83–86, 2022, doi: https://doi.org/10.4273/ijvss.14.1.18.
  44. V. Merculov, M. Kostin, G. Martynenko, N. Smetankina, and V. Martynenko, "Improving the accuracy of the behaviour simulation of the material of the turbojet aircraft engine fan rotor blades in the event of a bird strike by using adapted finite element computational models," Materials Today: Proceedings, vol. 59, pp. 1797–1803, 2022, doi: https://doi.org/10.1016/j.matpr.2022.04.381.
  45. D. Li, X. Jiang, L. Guo, and W. Zhang, "An experimental study of the dynamic responses of carbon fiber reinforced polymer composite laminates subjected to ice impact," Journal of Reinforced Plastics and Composites, vol. 41, is. 21-22, pp. 837–850, 2022, doi: https://doi.org/10.1177/07316844211073762.
  46. X. Hou, Z. Liu, B. Wang, W. Lv, X. Liang, and Y. Hua, "Stress-strain curves and modified material constitutive model for Ti-6Al-4V over the wide ranges of strain rate and temperature," Materials, vol. 11, no. 6, p. 938, 2018, doi: https://doi.org/10.3390/ma11060938.
  47. Z. A. Mierzejewska, R. Hudák, and J. Sidun, "Mechanical properties and microstructure of DMLS Ti6Al4V alloy dedicated to biomedical applications," Materials, vol. 12, no. 1, p. 176, 2019, doi: https://doi.org/10.3390/ma12010176
  48. D. Ivchenko and N. Smetankina, "The validation of the bird-impactor model for mathematical modelling of damage processes in turbofan engine parts," Lecture Notes in Networks and Systems, vol. 188, pp. 403–414, 2021, doi: https://doi.org/10.1007/978-3-030-66717-7_34.
  49. Y. Shen, T. Ma, and J. Li, "Investigation of dynamic fractures under varying stress states," International Journal of Mechanical Sciences, vol. 293, p. 110177, 2025, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2025.110177.
  50. V. G. Martynenko, "Mitsnistʹ ta dynamichni vlastyvosti skladenoyi metal-matrychnoyi kompozytsiynoyi lopatky rotora v kontaktnykh pidshypnykovykh oporakh [Strength and dynamic properties of a composite metal-matrix composite rotor blade in contact bearing supports]," Visnyk NTU "KhPI" [Bulletin of the National Technical University "KhPI"], Kharkov, NTU "KhPI" Publ., no. 1, pp. 3–11, 2025, doi: https://doi.org/10.20998/2078-9130.2025.1.328292.
  51. N. Djordjevic, R. Vignjevic, T. De Vuyst, J. C. Campbell, and K. Hughes, "Modelling of bird strike on the engine fan blades using FE-SPH," in 15th Conference on Mathematics of Finite Elements and Applications: Conference Proceedings, London: Brunel University, 2016. Accessed: 19.05.2026 [Online]. Available: https://pdfs.semanticscholar.org/e11d/7071fd611df5d20f21390ce7c3c884a852f1.pdf
  52. Y. Zhang, J. C. Outeiro, and T. Mabrouki, "On the selection of Johnson-Cook constitutive model parameters for Ti-6Al-4V using three types of numerical models of orthogonal cutting," Procedia CIRP, vol. 31, pp. 112–117, 2015, doi: https://doi.org/10.1016/j.procir.2015.03.052.
  53. V. Merculov, M. Kostin, G. Martynenko, N. Smetankina, and V. Martynenko, "Force Simulation of Bird Strike Issues of Aircraft Turbojet Engine Fan Blades," Lecture Notes in Networks and Systems, vol. 305, pp. 129–141, 2022, doi: https://doi.org/10.1007/978-3-030-83368-8_13.

##submission.downloads##

Опубліковано

2026-05-29

Як цитувати

Мартиненко, В., & Мартиненко, Г. (2026). СТВОРЕННЯ РОЗРАХУНКОВОЇ МОДЕЛІ УДАРУ ПТАХА З ТИТАНОВИМИ АБО МЕТАЛ-МАТРИЧНИМИ ЛОПАТКАМИ ВЕНТИЛЯТОРА ТУРБОВЕНТИЛЯТОРНОГО ДВИГУНА. Вісник Національного технічного університету «ХПІ». Серія: Динамiка та мiцнiсть машин, (1), 9–19. https://doi.org/10.20998/2078-9130.2026.1.356605

Номер

№ 1 (2026): Вісник НТУ "ХПІ". Серія: "Динаміка та міцність машин"

Розділ

Статті

Ліцензія

Авторське право (c) 2026 Володимир Mартиненко, Геннадій Мартиненко

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.