基于层压板响应的冰雹冲击接触力计算方法研究

摘要

飞机在飞行过程中可能会受到冰雹冲击、结冰脱落等冰材料的高速冲击，将会对飞机的机翼、尾翼、发动机等暴露在外部的飞机部件造成损伤。现代飞机的机翼、机身等外部蒙皮部件大量使用复合材料结构，而复合材料抗冲击性能差，受到冲击后容易发生分层损伤，且不容易检测。试验中，冰球冲击层压板接触力不能直接测量，需要研究接触力与位移、应变等易于测量的参数的关系。本文基于有限元模拟，研究冰材料冲击接触力的特性、层压板冲击的响应特性和利用层压响应反算冲击力的方法。
　　使用应变率相关的材料模型建立冰雹的光滑粒子流体动力学（Smoothed Particle Hydrodynamics，SPH）模型，进行冲击过程的模拟。基于层压板在集中动态力作用下响应模型，利用有限元计算得到的接触力模拟冲击点响应，所得接触力-位移关系与有限元模拟结果较为接近，用位移计算得到的接触力误差约为10%，表明可通过测量冲击区域背后一定范围内点的位移求得冲击接触力。
　　根据有限元模拟结果，通过冰球质心的加速度计算其受到的接触力，结果表明接触力达到峰值前两者吻合，因此可通过记录冰球球心的加速度计算出冲击接触力。
　　研究了层压板在冰球冲击下的损伤响应特性，冲击过程中发生分层时，层压板背面的速度会有明显的突增，应变也会产生突然的变化，可用于识别分层时刻；由于冰球冲击时会发生破坏，使接触面积增大，所以产生分层损伤的接触力阈值大于钢球冲击下的阈值。

目录

第一章 绪论

1.1 课题的研究背景与研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要内容

第二章 冰材料冲击钢板接触力研究

2.1 ABAQUS/Explict瞬态动力学分析简介

2.2 冰材料有限元建模

2.3 计算结果与实验结果比较

2.4 冰材料冲击钢板应力分布

2.5 冰材料冲击钢板接触力

2.6 本章小结

第三章 接触力与层压板响应的关系

3.1 经典层压板理论

3.2无损层压板冲击有限元模型

3.3 层压板接触力与冲击点位移的关系

3.4 层压板接触力与冲击区域应变的关系

3.5 本章小结

第四章 冰材料冲击层压板接触力计算方法研究

4.1 基于层压板响应的冰材料冲击接触力计算方法

4.2 基于冰球质心加速度的冲击接触力计算方法

4.3 本章小结

第五章 冰材料冲击下层压板分层阈值力研究

5.1 复合材料失效准则

5.2 基于胶接单元的层压板分层冲击模拟

5.3 冰材料冲击下基于层压板响应的分层阈值力研究

5.4 分层情况下冰材料冲击层压板接触力计算

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 主要工作与结论

6.2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文

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