CN105022894B - 一种预估复材层合板鸟撞吸能强弱的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种预估复材层合板鸟撞吸能强弱的方法，属于飞机鸟撞实验领域。基于应力‑应变的线弹性假设，建立复材层合板应变能与等效弹性模量的关系，用以预估复材层合板鸟撞吸能的强弱，本发明首先获取预估复材层合板纵向弹性模量、横向弹性模量、泊松比、剪切模量，并获取预估复材层合板的铺层角度及层数；进而计算预估复材层合板的弹性模量，从而预估复材层合板的鸟撞吸能强弱，即等效弹性模量越小，吸能越强。本发明无需测量层合板的应力‑应变曲线，直接根据理论计算得到的弹性模量来预估其鸟撞吸能强弱。

Description

一种预估复材层合板鸟撞吸能强弱的方法
技术领域
本发明涉及飞机鸟撞实验领域，特别是涉及一种预估复材层合板鸟撞吸能强弱的方法。
背景技术
吸能强弱是评价材料抗鸟撞优劣的重要指标之一。该指标通常由材料应力—应变曲线所包围的面积，即应变能来表征。但应变能的计算需要事先测量应力—应变曲线，而不同冲击应变率下的曲线数值并不一致，这对材料参数测试试验提出较高要求。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种预估复材层合板鸟撞吸能强弱的方法，该方法基于应力-应变的线弹性假设，建立复材层合板应变能与等效弹性模量的关系。无需测量层合板的应力-应变曲线，直接根据理论计算得到的弹性模量来预估其鸟撞吸能强弱，主要包括如下步骤：
S1、获取预估复材层合板纵向弹性模量、横向弹性模量、泊松比、剪切模量；
S2、获取预估复材层合板的铺层角度及层数；
S3、计算预估复材层合板的弹性模量E。
S4、根据表征吸能强弱的应变能，该表征吸能强弱的应变能W表达式如下：其中，εa为材料的最大应变，同时材料的应变能与弹性模量成反比，如下所示：
当其处于线弹性变形段时，应变与应力满足：
其中，σ为应力，ε为应变，σ(ε)为材料的应力—应变曲线，进而预估复材层合板的鸟撞吸能强弱，即等效弹性模量越小，吸能越强。
在上述方案中优选的是，所述弹性模量与单个铺层厚度成正比。
该方法思路简单、明确，容易程序化，预估精度高，可以方便快捷地预估复合材料层合板的鸟撞吸能强弱，对结构抗鸟撞设计具有指导作用。
附图说明
图1是根据本发明一实施例的预估复材层合板鸟撞吸能强弱的方法流程图。
图2是图1所示实施例的图鸟体动能随时间的变化曲线示意图。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
如图1所示，为本发明预估复材层合板鸟撞吸能强弱的方法流程图，如图所示，本发明涉及的方法包括：
S1、获取预估复材层合板纵向弹性模量、横向弹性模量、泊松比、剪切模量；
S2、获取预估复材层合板的铺层角度及层数；
S3、计算预估复材层合板的弹性模量E。
S4、根据表征吸能强弱的应变能，当其处于线弹性变形段时，应变与应力满足：
其中，σ为应力，ε为应变，σ(ε)为材料的应力—应变曲线，进而预估复材层合板的鸟撞吸能强弱，即等效弹性模量越小，吸能越强。
需要指出的是，具体理论依据和评估方法如下：
表征吸能强弱的应变能W表达式如下：
式中：σ为应力；ε为应变；σ(ε)为材料的应力—应变曲线；εa为材料的最大应变。
在线弹性变形段，应变与应力满足：
式中：E为材料的弹性模量。
这里认为线弹性变形段是影响材料吸能强弱的首要因素，因此将式(2)代入式(1)，整理可得
由式(3)可知，当外应力一定时，材料的应变能与弹性模量成反比。对于复材层合板这种各项异性材料，可以根据等效工程常数来评估其应变能大小。
根据式(3)可以预估预估复材层合板的鸟撞吸能强弱，即等效弹性模量越小，吸能越强。
根据上述所示的吸能强弱预估理论，对3种碳纤维复材层合板的吸能性能进行分析。其中，碳纤维工程常数见表1。
表1 碳纤维工程常数
表2显示了这3种层合板的铺层情况及其等效弹性模量计算结果。单个铺层厚度为0.125mm。
表2 碳纤维层合板等效弹性模量计算结果
编号 铺层角度/° 弹性模量/GPa
1# [[(±45)/(0/45/90/-45)3]s 47.5
2# [(±45)/(45/-45)6]s 16.4
3# [(±45)/(0/90)6]s 66.6
根据表2的计算结果，可以初步判定：这3种碳纤维复材层合板的吸能强弱顺序为，2#>1#>3#。
以典型机翼前缘结构为仿真对象，对理论预估结果的准确性进行验证。该结构包括蒙皮、隔板、角材和底板等。其中蒙皮为碳纤维复材层合板，分别选用表2所示的3种铺层；其余结构为铝合金。材料的力学参数由试验测得，包含弹塑性变形段。结构模型均为壳单元，鸟体模型采用SPH模型。
采用PAM-CRASH2G-2006商用软件中的接触碰撞模块进行鸟撞仿真分析。仿真时间为6ms。图2显示了鸟体动能随时间的变化曲线。可见，3种碳纤维复材层合板的吸能强弱顺序为，2#>1#>3#。这和理论预估结果一致。
作为本发明另一实施例，根据上述所示的吸能强弱预估理论，对3种GLARE(GlassReinforced Aluminum Laminates)层合板的吸能性能进行分析。GLARE层板是由高强度铝合金薄板和高强度玻璃纤维增强树脂层交替层压构成的一种特殊复合材料。GLARE层合板铺层由铝合金和玻璃纤维组成，相关工程常数见表3。
表3 铝合金和玻璃纤维工程常数
表4显示了这3种GLARE层合板的铺层情况及其等效弹性模量计算结果。
表4 GLARE层板弹性模量计算结果
根据表4的计算结果，可以初步判定：这3种GLARE层板的吸能强弱顺序为，1#>2#>3#。
上述实施例中等效弹性模量的计算公式如下：
复材二维单向层板通常包含4个独立的弹性常数：E1、E2、v12和G12。其二维刚度矩阵中的参数可表示为
Q66＝G12 (7)
其中：v21可根据下式求得：
对于含有多种铺层的复材层合板，其每层的刚度参数可表示为
式中：θ为铺层角。
在得到每层的刚度参数之后，该层合板的刚度计算公式如下：
式中：Aij为拉伸刚度；Bij为耦合刚度；Dij为弯曲刚度；N为铺层总数；Zk为单层法向坐标。
得到拉伸刚度Aij之后，可根据下列式子求解单层结构的等效工程常数：
式中：v为泊松比；E为弹性模量；G为剪切模量；t为层合板总厚度。
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (2)

1.一种预估复材层合板鸟撞吸能强弱的方法，其特征在于，包括：
S1、获取预估复材层合板纵向弹性模量、横向弹性模量、泊松比、剪切模量；
S2、获取预估复材层合板的铺层角度及层数；
S3、计算预估复材层合板的弹性模量E；
S4、根据表征吸能强弱的应变能，该表征吸能强弱的应变能W表达式如下：其中，εa为材料的最大应变，同时材料的应变能与弹性模量成反比，如下所示：
当其处于线弹性变形段时，应变与应力满足：
<mrow> <mi>&amp;epsiv;</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>&amp;sigma;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;epsiv;</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mi>E</mi> </mfrac> </mrow>
其中，σ为应力，ε为应变，σ(ε)为材料的应力—应变曲线，进而预估复材层合板的鸟撞吸能强弱，即等效弹性模量越小，吸能越强。
2.如权利要求1所述的预估复材层合板鸟撞吸能强弱的方法，其特征在于：所述弹性模量与单个铺层厚度成正比。
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