一种准真实结构冰雹的建模方法及试验方法

摘要

本发明公开了一种准真实结构冰雹的建模方法，采用统一本本构模型建立冰雹有限元模型的常规做法，通过建模、试验、验证、分析等手段获得不同密度冰的动态力学性能和本构模型，建立具有不同层厚的准真实结构冰雹几何模型，采用不同密度的冰的本构模型描述分层力学性能，建立数字化可快速编辑的准真实结构冰雹模型。本发明还提供了使用上述分层冰球模型的试验方法。

说明书

技术领域

本发明涉及计算机程序及航空发动机冲击与吞咽试验的技术领域。

背景技术

目前为止，对于冰雹的形成机制研究有很多。上世纪60年代，前苏联科学家Sulakvelidze等提出冰雹“累积带”理论，认为在雹云中上部存在过冷水的累积带，为冰雹增长的主要区域。Nelson利用多部多普勒天气雷达和三维冰雹生长模式分析了美国大平原地区两例超级单体风暴中冰雹的生长机制，指出冰雹生长主要集中在暖于-25℃的层中，且雹胚形成和生长可能要经历多次上下循环输送过程，雹胚来自多个不同区域。Foote等提出了多单体风暴中冰雹增长的概念，认为冰雹是通过倾斜的上升气流中增长的，大多数雹块的增长发生在-10℃～-25℃温度范围内。Franco采用应用于x射线显微照片的密度测量技术来测量密度，提出冰雹在形成过程中是由于冰的“干湿”交替增长，水会渗透到由干生长形成的多孔结构中，经过冻结过程最终会形成不同密度的层状结构。由此可见，真实冰雹可以认为是由不同密度和不同结晶方式冰组成的近似分层球壳形成的球体，由于冰雹的上述结构和形成过程，使自然界的真实冰雹具有比重为0.8-0.9的特性。

但在发动机部件或整机开展冲击和吞咽试验时，所采用的仿真冰雹多为直接冻制的冰球，并没有分层的球壳，使得最终的试验结果并无法完全体现出自然环境中的冰雹对针对发动机部件造成的损害，使得试验结论仍存在偏差。

为此，需要一种新的技术方案以解决上述技术问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种准真实结构冰雹的建模方法，能够更加准确的模拟出现实中的多层冰雹模型。

本发明还提供了使用该建模方法获取的冰雹模型的试验方法。

为了达到上述目的，本发明提供的准真实结构冰雹的建模方法采用的技术方案如下：

一种准真实结构冰雹的建模方法，包括以下步骤：

(1)采用模具压制冰屑法或冰风洞吹风结晶机加工法获得不同密度冰的球体、立方体或圆柱体试样；

(2)对步骤(1)获得的不同密度冰试样进行准静态力学性能测试，获得每个试样基本物性和力学参数，包括密度、弹性模量、屈服应力、失效应变；

(3)对不同密度冰试件进行刚性靶板或可变性靶板的冲击试验，测量靶板上的载荷或动力学响应变化；

(4)建立不同密度冰试样的有限元模型，采用本构模型加状态方程描述冰的动态力学性能，开展刚性靶板或柔性靶板冲击试验仿真，将仿真值和试验值进行参数迭代，获得不同密度冰试样的状态参数，进而获取完整的不同密度冰试样的动态本构模型；

(5)采用拉格朗日或SPH法建立同心的分层球壳准真实结构冰雹有限元模型，表征真实结构的冰雹几何形态；

(6)采用上述经验证的不同密度冰的本构模型描述不同分层中具有不同密度的冰的力学性能，并将其组合成具有不同分层结构和不同分层力学性能的有限元分析模型。

进一步的，步骤(5)中，建立的冰雹有限元模型可包含球形、椭球形、不规则卵形、长方体形、以及可有积冰形成的其他不规则立体几何形状。

进一步的，步骤(6)中，用全三维方法表征自然形成的冰雹的分层结构和不同分层中力学性能可变的特性。

进一步的，步骤(6)中，建立具有不同分层几何结构和不同分层力学性能的准真实结构数字化冰雹模型，通过在建模流程中改变相应建模参数，包括几何尺寸、动态本构模型与状态方程参数；或采用不同的上述建模选项组合，而建立各种具有不同结构和不同力学性能的准真实结构冰雹数字分析模型。

进一步的，步骤(5)中，采用SPH方法建立冰球模型包括以下分步骤：

(5.1)采用LS-Dyna自带的PrePost前处理软件，通过GUI方式或者命令流方式建立分层冰雹模型；

(5.2)在PrePost中通过该软件的SPH Generation选项，选择并创建一个球模型，设置适当的粒子数以及冰球的密度即可完成创建；随后定义冰球与刚性靶板在K文件中的相应关键字，进行约束，随后利用Ansys/Dyna软件进行求解，得到计算结果，即实体球模型；

(5.3)采用软件自带的布尔运算功能删除实体球中的某一半径的实体，使该实球体变为空心球体；

(5.4)在删除的空间中建立充满该空间的实心冰球模型，并定义其粒子数和密度；

(5.5)在原始冰球模型上从外向内多次重复上述操作，即可建立想要的多层SPH冰球模型，且通过定义建模时球体直径、粒子数和密度，得到想要的分层冰球分析模型；

(5.6)对该层冰球分析模型，重新定义冰球与刚性靶板在K文件中的相应关键字进行约束。

有益效果：本发明提供的建模方法根据自然界中真实冰雹具有的分层结构，及不同密度层具有不同物理和力学参数的结构和力学特点，突破以往采用均匀结构建立冰雹几何模型，采用统一本本构模型建立冰雹有限元模型的常规做法，通过建模、试验、验证、分析等手段获得不同密度冰的动态力学性能和本构模型，建立具有不同层厚的准真实结构冰雹几何模型，采用不同密度的冰的本构模型描述分层力学性能，建立数字化可快速编辑的准真实结构冰雹模型。

本发明提供的另一种技术方案是使用上述建模方法得到的分层冰球模型。

本发明提供的另一种技术方案是使用上述分层冰球模型的试验方法，通过该分层冰球模型撞击靶板模型，获取冲击过程与靶板的变形趋势、靶板接触力、靶板中心最大位移、靶板中心最大等效应力、靶板中心最大等效塑性应变的数据。

附图说明

图1是本发明准真实结构冰雹的建模方法步骤(3)中不同密度冰的冲击试验测试结果图。

图2是本发明准真实结构冰雹的建模方法步骤(4)中25mm冰球撞击刚性靶板模型图。

图3是本发明准真实结构冰雹的建模方法步骤(4)中不同比重冰球冲击载荷。

图4是本发明准真实结构冰雹的建模方法步骤(4)中不同弹性模量下冰球冲击载荷。

图5是本发明准真实结构冰雹的建模方法步骤(4)中不同压缩截止压力下冰球冲击载荷。

图6是本发明准真实结构冰雹的建模方法步骤(4)中不同拉伸截止压力下冰球冲击载荷。

图7是本发明准真实结构冰雹的建模方法步骤(4)中不同泊松比下冰球冲击载荷。

图8是本发明准真实结构冰雹的建模方法分层冰球建模流程图。

图9是本发明准真实结构冰雹的建模方法步骤(5.2)中单个SPH冰球模型示意图。

图10是本发明准真实结构冰雹的建模方法步骤(5.5)中多层SPH冰球模型示意图。

图11是本发明准真实结构冰雹的建模方法步骤(5)中冰雹撞击TC4靶板模型示意图。

图12是本发明试验方法中步骤四种类型冰雹模型中心切片撞击TC4靶板的过程图。

图13是本发明试验方法中四种类型冰雹冲击靶板接触力试验数据图。

图14是本发明试验方法中四种类型冰雹冲击靶板中心最大位移试验数据图。

图15是本发明试验方法中四种类型冰雹冲击靶板最大等效应力试验数据图。

图16是本发明试验方法中四种类型冰雹冲击靶板最大塑性应变试验数据图。

具体实施方式

请参阅图1及图2所示，本发明公开了一种准真实结构冰雹的建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)采用模具压制冰屑法或冰风洞吹风结晶机加工法获得不同密度冰的球体、立方体或圆柱体试样；

(2)对步骤(1)获得的不同密度冰试样进行准静态力学性能测试，获得每个试样基本物性和力学参数，包括密度、弹性模量、屈服应力、失效应变；

(3)如图1所示，对不同密度冰试件进行刚性靶板或可变性靶板的冲击试验，测量靶板上的载荷或动力学响应变化；

(4)建立不同密度冰试样的有限元模型，采用本构模型加状态方程描述冰的动态力学性能，开展刚性靶板或柔性靶板冲击试验仿真，将仿真值和试验值进行参数迭代，获得不同密度冰试样的状态参数，进而获取完整的不同密度冰试样的动态本构模型；

一个具体的实施例是：在Dyna-Prepost中建立不同比重的25mm冰球1以150m/s的速度正撞击直径为60mm的刚性靶板2有限元模型，计算时间设定为0.5ms，其中冰球采用SPH方法建立，刚性靶板采用45钢材料和拉格朗日法建立，建立了五组不同密度冰球模型，基本模型见图2。在分析时分别变化了冰球的比重，弹性模量，拉/压截断压力和泊松比等五组参数，进行了冰球冲击载荷数值模拟，变化每组本构模型参数的冲击载荷分析结果见图3-图7。

(5)采用拉格朗日或SPH法建立同心的分层球壳准真实结构冰雹有限元模型，表征真实结构的冰雹几何形态；建立的冰雹有限元模型可包含球形、椭球形、不规则卵形、长方体形、以及可有积冰形成的其他不规则立体几何形状；

在本实施方式中，如采用SPH方法建立冰球模型，结合图8所示，则应当包括以下分步骤：

(5.1)采用LS-Dyna自带的PrePost前处理软件，通过GUI方式或者命令流方式建立分层冰雹模型；

(5.2)在PrePost中通过该软件的SPH Generation选项，选择并创建一个球模型，设置适当的粒子数以及冰球的密度即可完成创建；随后定义冰球与刚性靶板在K文件中的相应关键字，进行约束，随后利用Ansys/Dyna软件进行求解，得到计算结果，即实体球模型，如图9所示；

(5.3)采用软件自带的布尔运算功能删除实体球中的某一半径的实体，使该实球体变为空心球体；

(5.4)在删除的空间中建立充满该空间的实心冰球模型，并定义其粒子数和密度；

(5.5)在原始冰球模型上从外向内多次重复上述操作，即可建立想要的多层SPH冰球模型，且通过定义建模时球体直径、粒子数和密度，得到想要的分层冰球分析模型，如图10所示；

(5.6)对该层冰球分析模型，重新定义冰球与刚性靶板在K文件中的相应关键字进行约束。

按照上述流程，根据采集到的直径29mm自然冰雹结构与分层比重数据，建立多层冰球模型，其中不同层的冰本构模型中，各层赋予表1中给出的密度，所建立的其他类型等效冰雹模型参数见表2，分层冰雹以150m/s速度撞击2mm厚四边固支的TC4靶板模型见图11。

表1分层冰雹建模参数

表2建模类型及参数

(6)采用上述经验证的不同密度冰的本构模型描述不同分层中具有不同密度的冰的力学性能，并将其组合成具有不同分层结构和不同分层力学性能的有限元分析模型；本步骤中可采用全三维方法表征自然形成的冰雹的分层结构和不同分层中力学性能可变的特性；同时，建立具有不同分层几何结构和不同分层力学性能的准真实结构数字化冰雹模型，通过在建模流程中改变相应建模参数，包括几何尺寸、动态本构模型与状态方程参数；或采用不同的上述建模选项组合，而建立各种具有不同结构和不同力学性能的准真实结构冰雹数字分析模型。

以上实施例通过准真实结构冰雹的建模方法得到的分层冰球模型，也提供了对应的TC4靶板模型。

而一个使用该分层冰球模型的试验方法的实施例，即通过该分层冰球模型撞击靶板模型，获取冲击过程与靶板的变形趋势、靶板接触力、靶板中心最大位移、靶板中心最大等效应力、靶板中心最大等效塑性应变的数据。

其中，四种类型冰雹模型中心切片撞击TC4靶板的过程见图12。从上到下依次为A-D型冰雹模型冲击靶板的过程，四种冰雹总体冲击过程与靶板的变形趋势基本相同，冰雹接触靶板后，在前端撞击中心率先产生失效，失效区域迅速向冰球周边扩展，最终导致整个冰球粉碎，在此过程中完成冲击能量的转换，造成靶板撞击中心弯曲变形。在等直径冰雹的冲击过程对比中，可以看到分层结构冰雹的失效模式与等效冰雹相同，其不同层的部分由于冲击被逐层压紧和失效；在等质量冰雹的冲击过程对比中，可以看到直径较小的冰雹失效区域的扩展方式与直径较大的冰雹不同，其失效区域不但迅速向冰雹周向位置扩展，同时向冰雹中心快速扩展，与撞击刚性靶板情况类似，说明冰雹的几何尺寸与等效密度对其失效模式有一定的影响。

四种类型冰雹模型撞击靶板的接触力对比见图13。质量最大的B冰雹模型具有最大的动能，因此撞击靶板的接触力峰值最大，在其他三种类型冰雹模型撞击接触力对比中，可以发现分层结构冰雹的撞击接触力峰值最小，而且存在轻微波动，其原因为分层冰球的各层性能不同，应力波在其中传播的速度不同，在穿越不同层的过程中引发载荷变化轻微波动；C型冰雹模型和D型冰雹模型的冲击载荷峰值基本相同，其原因是质量相同，动能相同，由于D型冰雹的等效密度高于C型，因此C型冰雹的初始冲击载荷小于D型冰雹，同时由于C型冰雹直径较大，较早接触到靶板，因此接触力产生的时序快于D型冰雹。

四种类型冰雹模型撞击靶板的中心最大位移见图14。质量最大的等效结构冰雹撞击靶板导致的中心位移最大，分层结构冰雹撞击靶板导致的中心位移最小，其余二型冰雹模型撞击导致的中心最大位移基本一致，但仍大于分层结构冰雹，说明分层结构冰雹和等效结构冰雹相比，应力波在穿越分层结构过程中和层间溃散过程中可能存在能量的损失。

四种类型冰雹模型撞击靶板产生的最大等效应力见图15。分层结构冰雹冲击导致的靶板应力最大，其余三型等效冰雹模型冲击导致的靶板最大应力状态基本一致，其原因在于其余三型等效冰雹模型冲击导致的靶板整体变形相对较大，而分层结构冰雹撞击时导致的靶板局部变形相对较大，因此靶板背面的等效应力最大，且由于靶板回弹快，导致应力波动幅度较大。

四种类型冰雹模型撞击靶板产生的最大塑性应变见图16。四种类型冰雹冲击均导致了靶板受冲击区域进入塑性状态，其中，分层结构冰雹冲击导致的靶板塑性应变最小，说明分层冰雹的冲击能量损耗较大，没有完全交换给靶板；两种等直径的等效冰雹模型冲击导致的塑性应变基本相同，小直径的D型冰雹冲击导致的塑性应变较小，说明冰雹几何尺寸对靶板局部的变形与塑性应变状态存在一定的影响。

本发明具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。