一種預(yù)估復(fù)材層合板鳥撞吸能強(qiáng)弱的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及飛機(jī)鳥撞實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域，特別是涉及一種預(yù)估復(fù)材層合板鳥撞吸能強(qiáng)弱的 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 吸能強(qiáng)弱是評價(jià)材料抗鳥撞優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一。該指標(biāo)通常由材料應(yīng)力一應(yīng)變 曲線所包圍的面積，即應(yīng)變能來表征。但應(yīng)變能的計(jì)算需要事先測量應(yīng)力一應(yīng)變曲線，而不 同沖擊應(yīng)變率下的曲線數(shù)值并不一致，這對材料參數(shù)測試試驗(yàn)提出較高要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種預(yù)估復(fù)材層合板鳥撞吸能強(qiáng)弱的方法，該 方法基于應(yīng)力-應(yīng)變的線彈性假設(shè)，建立復(fù)材層合板應(yīng)變能與等效彈性模量的關(guān)系。無 需測量層合板的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，直接根據(jù)理論計(jì)算得到的彈性模量來預(yù)估其鳥撞吸能強(qiáng) 弱，主要包括如下步驟：
[0004]S1、獲取預(yù)估復(fù)材層合板縱向彈性模量、橫向彈性模量、泊松比、剪切模量；
[0005] S2、獲取預(yù)估復(fù)材層合板的鋪層角度及層數(shù)；
[0006]S3、計(jì)算預(yù)估復(fù)材層合板的彈性模量E。
[0007]S4、根據(jù)表征吸能強(qiáng)弱的應(yīng)變能，當(dāng)其處于線彈性變形段時(shí)，應(yīng)變與應(yīng)力滿足：
[0008]
[0009] 其中，0為應(yīng)力，e為應(yīng)變，0 (e)為材料的應(yīng)力一應(yīng)變曲線，進(jìn)而預(yù)估復(fù)材層合 板的鳥撞吸能強(qiáng)弱，即等效彈性模量越小，吸能越強(qiáng)。
[0010] 優(yōu)選的是，所述表征吸能強(qiáng)弱的應(yīng)變能W表達(dá)式如下：
[0011]
[0012] 其中，ea為材料的最大應(yīng)變。
[0013] 在上述方案中優(yōu)選的是，所述材料的應(yīng)變能與彈性模量成反比，如下所示：
[0014]
[0015] 在上述方案中優(yōu)選的是，所述彈性模量與單個(gè)鋪層厚度成正比。
[0016] 該方法思路簡單、明確，容易程序化，預(yù)估精度高，可以方便快捷地預(yù)估復(fù)合材料 層合板的鳥撞吸能強(qiáng)弱，對結(jié)構(gòu)抗鳥撞設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)作用。
【附圖說明】
[0017] 圖1是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的預(yù)估復(fù)材層合板鳥撞吸能強(qiáng)弱的方法流程圖。
[0018] 圖2是圖1所示實(shí)施例的圖鳥體動能隨時(shí)間的變化曲線示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 為使本發(fā)明實(shí)施的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中 的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行更加詳細(xì)的描述。在附圖中，自始至終相同或類 似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。所描述的實(shí)施例是本發(fā)明 一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。下面通過參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，旨在用 于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人 員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。下 面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0020] 在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語"中心"、"縱向"、"橫向"、"前"、"后"、"左"、 "右"、"豎直"、"水平"、"頂"、"底" "內(nèi)"、"外"等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方 位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元 件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明保護(hù)范圍的 限制。
[0021] 如圖1所示，為本發(fā)明預(yù)估復(fù)材層合板鳥撞吸能強(qiáng)弱的方法流程圖，如圖所示，本 發(fā)明涉及的方法包括：
[0022] S1、獲取預(yù)估復(fù)材層合板縱向彈性模量、橫向彈性模量、泊松比、剪切模量；
[0023]S2、獲取預(yù)估復(fù)材層合板的鋪層角度及層數(shù)；
[0024] S3、計(jì)算預(yù)估復(fù)材層合板的彈性模量E。
[0025]S4、根據(jù)表征吸能強(qiáng)弱的應(yīng)變能，當(dāng)其處于線彈性變形段時(shí)，應(yīng)變與應(yīng)力滿足：
[0026]
[0027] 其中，〇為應(yīng)力，e為應(yīng)變，〇 (e)為材料的應(yīng)力一應(yīng)變曲線，進(jìn)而預(yù)估復(fù)材層合 板的鳥撞吸能強(qiáng)弱，即等效彈性模量越小，吸能越強(qiáng)。
[0028] 需要指出的是，具體理論依據(jù)和評估方法如下：
[0029] 表征吸能強(qiáng)弱的應(yīng)變能W表達(dá)式如下：
[0030]
[0031] 式中：〇為應(yīng)力；e為應(yīng)變；〇 (e)為材料的應(yīng)力一應(yīng)變曲線；ea為材料的最大 應(yīng)變。
[0032] 在線彈性變形段，應(yīng)變與應(yīng)力滿足：
[0033]
[0034] 式中：E為材料的彈性模量。
[0035] 這里認(rèn)為線彈性變形段是影響材料吸能強(qiáng)弱的首要因素，因此將式（2)代入式 (1)，整理可得
[0036]
[0037] 由式⑶可知，當(dāng)外應(yīng)力一定時(shí)，材料的應(yīng)變能與彈性模量成反比。對于復(fù)材層合 板這種各項(xiàng)異性材料，可以根據(jù)等效工程常數(shù)來評估其應(yīng)變能大小。
[0038] 根據(jù)式（3)可以預(yù)估預(yù)估復(fù)材層合板的鳥撞吸能強(qiáng)弱，即等效彈性模量越小，吸 能越強(qiáng)。
[0039] 根據(jù)上述所示的吸能強(qiáng)弱預(yù)估理論，對3種碳纖維復(fù)材層合板的吸能性能進(jìn)行分 析。其中，碳纖維工程常數(shù)見表1。
[0040] 表1碳纖維工程常數(shù) [0041 ]
[0042] 表2顯示了這3種層合板的鋪層情況及其等效彈性模量計(jì)算結(jié)果。單個(gè)鋪層厚度 為 0?125mm。
[0043] 表2碳纖維層合板等效彈性模量計(jì)算結(jié)果
[0044]
[0045] 根據(jù)表2的計(jì)算結(jié)果，可以初步判定：這3種碳纖維復(fù)材層合板的吸能強(qiáng)弱順序 為，2#>1#>3#。
[0046] 以典型機(jī)翼前緣結(jié)構(gòu)為仿真對象，對理論預(yù)估結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。該結(jié)構(gòu)包 括蒙皮、隔板、角材和底板等。其中蒙皮為碳纖維復(fù)材層合板，分別選用表2所示的3種鋪 層；其余結(jié)構(gòu)為鋁合金。材料的力學(xué)參數(shù)由試驗(yàn)測得，包含彈塑性變形段。結(jié)構(gòu)模型均為殼 單元，鳥體模型采用SPH模型。
[0047] 采用PAM-CRASH2G-2006商用軟件中的接觸碰撞模塊進(jìn)行鳥撞仿真分析。仿真時(shí) 間為6ms。圖2顯示了鳥體動能隨時(shí)間的變化曲線。可見，3種碳纖維復(fù)材層合板的吸能強(qiáng) 弱順序?yàn)椋?#>1#>3#。這和理論預(yù)估結(jié)果一致。
[0048] 作為本發(fā)明另一實(shí)施例，根據(jù)上述所示的吸能強(qiáng)弱預(yù)估理論，對3種GLARE(Glass ReinforcedAluminumLaminates)層合板的吸能性能進(jìn)行分析。GLARE層板是由高強(qiáng)度錯(cuò) 合金薄板和高強(qiáng)度玻璃纖維增強(qiáng)樹脂層交替層壓構(gòu)成的一種特殊復(fù)合材料。GLARE層合板 鋪層由鋁合金和玻璃纖維組成，相關(guān)工程常數(shù)見表3。
[0049] 表3鋁合金和玻璃纖維工程常數(shù)
[0050]
[0051] 表4顯示了這3種GLARE層合板的鋪層情況及其等效彈性模量計(jì)算結(jié)果。
[0052] 表4GLARE層板彈性模量計(jì)算結(jié)果
[0053]
[0054] 根據(jù)表4的計(jì)算結(jié)果，可以初步判定：這3種GLARE層板的吸能強(qiáng)弱順序?yàn)椋?1#>2#>3#〇
[0055] 上述實(shí)施例中等效彈性模量的計(jì)算公式如下：
[0056] 復(fù)材二維單向?qū)影逋ǔ０?個(gè)獨(dú)立的彈性常數(shù)：El、E2、vl2和G12。其二維剛 度矩陣中的參數(shù)可表示為
[0061] 其中：v21可根據(jù)下式求得：
[0062]
[0063] 對于含有多種鋪層的復(fù)材層合板，其每層的剛度參數(shù)可表示為

[0070] 式中：9為鋪層角。
[0071] 在得到每層的剛度參數(shù)之后，該層合板的剛度計(jì)算公式如下：
[0075] 式中：A。為拉伸剛度；B^為耦合剛度；D。為彎曲剛度；N為鋪層總數(shù)；ZA單層法 向坐標(biāo)。
[0076] 得到拉伸剛度Ax]之后，可根據(jù)下列式子求解單層結(jié)構(gòu)的等效工程常數(shù)：
[0080] 式中：v為泊松比；E為彈性模量；G為剪切模量；t為層合板總厚度。
[0081] 最后需要指出的是：以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制。 盡管參照前述實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依 然可以對前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替 換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的精 神和范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種預(yù)估復(fù)材層合板鳥撞吸能強(qiáng)弱的方法，其特征在于，包括： 51、 獲取預(yù)估復(fù)材層合板縱向彈性模量、橫向彈性模量、泊松比、剪切模量； 52、 獲取預(yù)估復(fù)材層合板的鋪層角度及層數(shù)； 53、 計(jì)算預(yù)估復(fù)材層合板的彈性模量E。 54、 根據(jù)表征吸能強(qiáng)弱的應(yīng)變能，當(dāng)其處于線彈性變形段時(shí)，應(yīng)變與應(yīng)力滿足：其中，〇為應(yīng)力，e為應(yīng)變，〇 (e)為材料的應(yīng)力一應(yīng)變曲線，進(jìn)而預(yù)估復(fù)材層合板的 鳥撞吸能強(qiáng)弱，即等效彈性模量越小，吸能越強(qiáng)。2. 如權(quán)利要求1所述的預(yù)估復(fù)材層合板鳥撞吸能強(qiáng)弱的方法，其特征在于：所述表征 吸能強(qiáng)弱的應(yīng)變能W表達(dá)式如下：其中，ea為材料的最大應(yīng)變。3. 如權(quán)利要求2所述的預(yù)估復(fù)材層合板鳥撞吸能強(qiáng)弱的方法，其特征在于：所述材料 的應(yīng)變能與彈性模量成反比，如下所示：4. 如權(quán)利要求1所述的預(yù)估復(fù)材層合板鳥撞吸能強(qiáng)弱的方法，其特征在于：所述彈性 模量與單個(gè)鋪層厚度成正比。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種預(yù)估復(fù)材層合板鳥撞吸能強(qiáng)弱的方法，屬于飛機(jī)鳥撞實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域。基于應(yīng)力-應(yīng)變的線彈性假設(shè)，建立復(fù)材層合板應(yīng)變能與等效彈性模量的關(guān)系，用以預(yù)估復(fù)材層合板鳥撞吸能的強(qiáng)弱，本發(fā)明首先獲取預(yù)估復(fù)材層合板縱向彈性模量、橫向彈性模量、泊松比、剪切模量，并獲取預(yù)估復(fù)材層合板的鋪層角度及層數(shù)；進(jìn)而計(jì)算預(yù)估復(fù)材層合板的彈性模量，從而預(yù)估復(fù)材層合板的鳥撞吸能強(qiáng)弱，即等效彈性模量越小，吸能越強(qiáng)。本發(fā)明無需測量層合板的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，直接根據(jù)理論計(jì)算得到的彈性模量來預(yù)估其鳥撞吸能強(qiáng)弱。
【IPC分類】G06F17/50
【公開號】CN105022894
【申請?zhí)枴緾N201510496599
【發(fā)明人】張玉杰, 馮震宙, 黃超廣
【申請人】中國航空工業(yè)集團(tuán)公司西安飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所
【公開日】2015年11月4日
【申請日】2015年8月13日