基于LS-DYNA的冰雹冲击铝合金平板数值模拟

摘要

高速冰雹能够对飞机等航空飞行器造成严重损伤，威胁其飞行安全，所以对航空材料的抗冰雹冲击性能进行研究具有重要意义。从目前的文献[4-9]来看，主要是对单个冰雹的试验研究和数值模拟研究。本文采用考虑应变率效应的冰雹材料模型，并应用冰雹SPH(SmoothedParticle Hydrodynamics)算法和铝合金靶板的FEM(Finite Element Method)算法耦合的方法，首先运用LS-DYNA软件建立单个冰雹冲击AA2014T4铝合金平板的数值模型，单冰雹冲击的数值模拟结果与试验结果相吻合，在此基础上探索通过数值模拟的方式对多个冰雹冲击的现象进行研究。通过数值模拟本文获得以下结论:
　　1.单冰雹冲击数值模拟获得的靶板最大中心位移与参考文献[5]中试验结果总体相一致。通过参考文献[5]中的失效冲击速度确定了铝合金材料的失效应变，可以模拟铝合金平板在高速冲击下的碎裂和穿透失效行为。单冰雹冲击的数值模拟结果表明随着冰雹直径、冰雹冲击速度的增加，铝合金平板的位移变形和有效塑性应变不断增大，在超过失效应变后单元发生失效。而随平板厚度的增加抵抗冰雹冲击的能力增强。
　　2.对不同中心距离的两个冰雹冲击进行了数值模拟，结果表明随着中心距离的减小造成冲击损伤的叠加效应增强。使用MATLAB与LS-PREPOST建立了随机分布多冰雹冲击的数值模型，多冰雹冲击数值模拟结果表明在冰雹数量较多或冰雹之间中心距离较小时会造成比单冰雹大得多的冲击损伤，这时按单冰雹冲击试验所确定的平板厚度不能满足安全要求，需要通过多冰雹冲击数值模拟评估铝合金平板的抗冰雹冲击性能。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．1．1 高速冰雹冲击对飞机等航空飞行器的安全威胁

1．1．2 铝合金材料的应用

1．2 冰雹高速冲击研究现状

1．3 现有研究的不足之处

1．4 本文的主要工作和内容

第二章 冰雹冲击铝合金平板理论与数值计算方法

2．1 弹性动力学基本方程与数值计算方法

2．2 大变形动力学基本方程与数值计算方法

2．3 材料非线性理论及其数值计算方法

2．4 接触碰撞的数值计算方法

2．5 网格描述方法简介

2．6 LS-DYNA程序简介

2．7 本章小结

第三章 单个冰雹冲击铝合金平板的数值模拟

3．1 冰雹材料模型选择

3．2 铝合金材料模型的确定

3．3 数值模拟重要参数设置说明

3．3．1 单位系统选择

3．3．2 单元设置

3．3．3 沙漏控制

3．3．4 接触设置

3．3．5 初始速度及边界条件设置

3．3．6 阻尼设置

3．3．7 计算时间及结果输出文件设置

3．4 冰雹冲击铝合金平板试验

3．5 数值模拟结果与试验结果对比

3．5．1 单元尺寸对数值模拟结果的影响

3．5．2 不同情况的数值模拟结果与试验结果对比

3．6 失效应变的确定

3．6．1 通过模拟拉伸试验预测失效应变方法

3．6．2 通过失效试验冲击速度确定失效应变

3．7 不同参数的的影响分析

3．7．1 冰雹直径的影响

3．7．2 冲击角度的影响

3．7．3 冲击速度的影响

3．7．4 铝合金平板厚度的影响

3．8 本章小结

第四章 多个冰雹冲击铝合金平板数值模拟

4．1 两个冰雹连续冲击数值模拟

4．1．1 速度为300m／s的两冰雹连续冲击0．91mm平板

4．1．2 速度为300m／s的两冰雹连续冲击1．63mm平板

4．1．3 速度为389．8m／s的两冰雹连续冲击0．91mm平板

4．1．4 速度为389．8m／s的两冰雹连续冲击1．63mm平板

4．2 两个冰雹同时冲击数值模拟

4．2．1 距离为30mm的两个冰雹同时冲击

4．2．2 距离为35mm的两个冰雹同时冲击

4．2．3 距离为40mm的两个冰雹同时冲击

4．3 平板尺寸对冲击结果的影响

4．4 随机分布多个冰雹冲击数值模拟

4．4．1 速度为300m／s的随机分布冰雹冲击

4．4．2 速度为389．8m／s的随机分布冰雹冲击

4．4．3 平板厚度为3mm的随机分布冰雹冲击

4．5 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文