CN108334653B - 一种静力学分析模型修正方法、修正系统和静强度分析方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种静力学分析模型修正方法，该方法的步骤包括：获取待测热防护结构的破坏边界实验数据；对基于所述破坏边界实验数据构建的静力学分析模型进行修正，获得在误差允许范围内的静力学分析模型。本申请所述技术方案利用实验结果对缝合夹层整体式热防护结构的静力学分析模型进行修正提高模型的精准度，更加具有真实性；进一步根据修正后的模型进行缝合夹层整体式热防护结构的静强度安全裕度的评估，提高评估的可信度。

Description

一种静力学分析模型修正方法、修正系统和静强度分析方法
技术领域
本申请涉及飞行器力学分析领域，尤其涉及一种适用于缝合夹层整体式热防护结构的静力学分析模型修正方法及系统。
背景技术
高超声速飞行器飞行过程中面临着严酷气动热环境，需进行热防护以保证主承载结构、舱内设备工作在适宜温度。与常见的刚性陶瓷瓦、柔性隔热毡等热防护方案不同，缝合夹层整体式热防护结构(简称整体式TPS)是一种新型热防护方案，如图1所示，具有轻质、高效、高可靠、可大尺度应用等优点，应用前景广阔。
为保证飞行安全，整体式TPS热防护结构在应用过程中需保证结构完整、功能可靠，因而需要对整体式TPS热防护结构进行全面的分析及验证。一般通过构建静力学模型对整体式TPS热防护结构进行静力学性能的分析。但常规的静力学模型主要存在两个问题：其一是静力学分析模型精度未经过试验结果修正；其二是静力学分析模型进行静强度安全裕度评估时采用仿真分析获得的应力/应变与试验获得的强度进行对比，引入测量误差、分析模型误差，结果可信度较低。
发明内容
本申请实施例提出了一种静力学分析模型修正方法及系统，以解决静力学分析模型精度低，基于静力学模型进行静强度安全裕度分析时误差大，可信度低的问题。
为解决上述技术问题之一，本申请提供了一种静力学分析模型修正方法，该方法的步骤包括：
获取待测热防护结构的破坏边界实验数据；
对基于所述破坏边界实验数据构建的静力学分析模型进行修正，获得在误差允许范围内的静力学分析模型。
优选地，所述待测热防护结构为缝合夹层整体式热防护结构。
优选地，所述获取待测热防护结构的破坏边界实验数据的前一步包括：
基于四点弯曲受压试验方法，对待测热防护结构进行受压实验。
优选地，所述基于四点弯曲受压试验，对待测热防护结构进行受压实验的步骤包括：
对装载在加载设备上的待测热防护结构进行分级加载；
对加载过程中的待测热防护结构进行应变和挠度测量，直至待测热防护结构被破坏；
提取待测热防护结构被破坏时，当前加载等级的前一级的加载数据作为静力学分析数据。
优选地，所述对装载在加载设备上的待测热防护结构进行分级加载的前一步包括：
对待测热防护结构进行预加载。
优选地，所述对加载过程中的待测热防护结构进行应变和挠度测量，直至待测热防护结构被破坏的步骤包括：
利用3D数字散斑设备8探测预设在待测热防护结构上表面的散斑，获取加载过程中待测热防护结构的应变数据；
利用视频挠度仪9对待测热防护结构进行挠度测量。
优选地，所述对基于所述破坏边界实验数据构建的静力学分析模型进行修正，获得在误差允许范围内的静力学分析模型的步骤包括：
基于所述破坏边界实验数据，利用ABAQUS分析软件构建待测热防护结构的静力学分析模型。
优选地，所述对基于所述破坏边界实验数据构建的静力学分析模型进行修正，获得在误差允许范围内的静力学分析模型的步骤包括：
将对静力学模型求解获得的数据与试验结果进行比对，获得误差值；
根据所述误差值，对待测热防护结构进行调整，直至静力学模型的求解数据与试验分析结构的误差在允许范围内，得到修正后的静力学分析模型。
优选地，所述对待测热防护结构进行调整为调节夹芯层剪切模量参数。
为解决上述技术问题之一，本申请进一步提供了一种静强度分析方法，该方法包括：
基于上述修正方法修正的静力学分析模型所对应的参数，对待测热防护结构进行静强度计算，获得静强度值；
利用所述静强度值与压缩强度极限进行分析，获得待测热防护结构的静强度裕度。
为解决上述技术问题之一，本申请进一步提供了一种静力学分析模型修正系统，该系统包括：
数据获取单元，获取待测热防护结构的破坏边界实验数据；
修正单元，对基于所述破坏边界实验数据构建的静力学分析模型进行修正，获得在误差允许范围内的静力学分析模型。
优选地，数据获取单元获取的数据是基于四点弯曲受压试验方法，对待测热防护结构进行受压实验获得的。
优选地，所述修正单元采用ABAQUS分析软件构建静力学分析模型和对模型进行修正。
本发明的有益效果如下：
本申请所述技术方案利用实验结果对缝合夹层整体式热防护结构的静力学分析模型进行修正提高模型的精准度，更加具有真实性；进一步根据修正后的模型进行缝合夹层整体式热防护结构的静强度安全裕度的评估，提高评估的可信度。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1示出本申请所述缝合夹层整体式热防护结构的示意图；
图2示出本申请所述对待测热防护结构进行四点弯曲受压试验的示意图；
图3示出本申请所述静力学分析模型修正方法的示意图。
附图标号
1、陶瓷上面板，2、气凝胶隔热层，3、陶瓷缝合线，4、陶瓷下面板，5、陶瓷面板整体式复合隔热瓦，6、硅橡胶，7、弹性金属承载结构，8、3D数字散斑设备，9、视频挠度仪。
具体实施方式
为了使本申请的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。并且在不冲突的情况下，本说明中的实施例及实施例中的特征可以互相结合。
本方案的核心思路是利用四点弯曲受压试验获得数据构建缝合夹层整体式热防护结构的静力学分析模型，求解静力学分析模型并与试验结构进行比对，通过调整缝合夹层整体式热防护结构中夹芯层剪切模量参数，对静力学分析模型进行修正，最终将模型求解结果调整至允许的误差范围内。再利用修正后的静力学分析模型对缝合夹层整体式热防护结构进行静强度安全裕度的计算。
如图1所示，本方案所述缝合夹层整体式热防护结构包括：由上至下依次叠放的陶瓷上面板1、气凝胶隔热层2和陶瓷下面板4组成的陶瓷面板整体式复合隔热瓦5。陶瓷上面板1和陶瓷下面板4之间通过陶瓷缝合线3缝合。
如图2所示，将所述陶瓷面板整体式复合隔热瓦5置于弹性金属承载结构7上，中间通过硅橡胶6粘接固定，制成待测热防护结构的试验试件。将试验试件装载在加载设备上，进行预加载；将3D数字散斑设备8和视频挠度仪9分别摆放至预定位置后，对试验试件进行分级加载，在加载的过程中对试验试件进行应变和挠度测量，直至试验试件断裂为止；提取试验试件被破坏时，当前加载等级的前一级的加载数据作为静力学分析数据。其中，利用3D数字散斑设备8扫描预先喷洒在试验试件表面上的散斑，对加载过程中试验试件进行应变数据的采集；利用视频挠度仪9实施对试验试件进行挠度测量。
提取试验数据后，利用ABAQUS分析软件建立几何模型、划分网格、赋予材料属性、建立各层结构接触关系，给定载荷及边界条件，设定求解参数、输出变量。
对构建好的静力学模型进行求解，并根据静力学模型分析得到的分析结果与试验结果误差调整缝合夹层整体式热防护结构的夹芯层剪切模量参数，直至静力学模型的解集分析结果与实验结果误差在允许范围内，误差范围一般小于5％即可。其中，静力学模型分析得到的分析结果包括：静力学模型分析得到的位移、应变结果，利用其与试验位移、应变结果进行对比和修正。
利用利用修正后的缝合夹层整体式热防护结构的静力学分析模型的参数进行基元级、舱段级整体式TPS结构静强度计算，计算结果与获得的压缩强度极限对比即可得到材料的静强度裕度。其中，压缩强度极限是通过试验获得的，试验结果一方面可以修正分析模型，一方面可以获得压缩强度。
下面通过实例对本方案作进一步说明书。
本实例公开了一种适用于缝合夹层整体式热防护结构的静力学分析模型修正方法，具体步骤如下：
由上至下依次叠放的陶瓷上面板1、气凝胶隔热层2和陶瓷下面板4组成的陶瓷面板整体式复合隔热瓦5通过硅橡胶6与金属承载结构5粘接，并在试验件陶瓷上面板11表面喷涂散斑，以便进行后续的非接触应变测量。陶瓷上面板11应变由3D数字散斑设备86进行测量，试验试件的挠度由视频挠度仪97进行测量。试验时首先进行不大于50N的预加载，加载后利用3D数字散斑设备86进行拍照作为原始对照。随后分级加载，每级加载结束后利用3D数字散斑设备86进行拍照测量，直至试验试件破坏。取试验试件破坏前一级拍照测量结果进行试验件强度极限分析。对此数据提取其中心线平均应变为试验件上面板1压缩强度极限。
提取试验数据后，利用ABAQUS分析软件建立几何模型、划分网格、赋予材料属性、建立各层结构接触关系，给定载荷及边界条件，设定求解参数、输出变量。
对构建完成的静力学模型进行求解，根据静力学模型分析得到的分析结果与试验结果误差调整夹芯层剪切模量参数，再利用3D数字散斑设备8和视频挠度仪9进行数据采集，通过采集的新数据对静力学模型进行调整；直至静力学模型的解集分析结果与实验结果的误差小于5％。利用修正后的静力学模型所对应的参数进行基元级、舱段级的缝合夹层整体式热防护结构的静强度计算，利用计算结果与利用所述静强度值与压缩强度极限进行分析，获得待测热防护结构的静强度裕度。
本申请所述技术方案利用实验结果对缝合夹层整体式热防护结构的静力学分析模型进行修正提高模型的精准度，更加具有真实性；进一步根据修正后的模型进行缝合夹层整体式热防护结构的静强度安全裕度的评估，提高评估的可信度。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、装置、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(装置)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

Claims (4)

1.一种静力学分析模型修正方法，其特征在于，该方法的步骤包括：
获取待测热防护结构的破坏边界实验数据；
对基于所述破坏边界实验数据构建的静力学分析模型进行修正，获得在误差允许范围内的静力学分析模型；
所述获取待测热防护结构的破坏边界实验数据的前一步包括：
基于四点弯曲受压试验方法，对待测热防护结构进行受压实验；
所述基于四点弯曲受压试验，对待测热防护结构进行受压实验的步骤包括：
对装载在加载设备上的待测热防护结构进行分级加载；
对加载过程中的待测热防护结构进行应变和挠度测量，直至待测热防护结构被破坏；
提取待测热防护结构被破坏时，当前加载等级的前一级的加载数据作为静力学分析数据；
所述对装载在加载设备上的待测热防护结构进行分级加载的前一步包括：
对待测热防护结构进行预加载；
所述待测热防护结构由陶瓷面板整体式复合隔热瓦和弹性金属承载结构组成，所述陶瓷面板整体式复合隔热瓦通过硅橡胶粘接固定在所述弹性金属承载结构的上面，所述待测热防护结构装载在所述加载设备上，所述四点弯曲受压试验用的载荷作用于未被所述陶瓷面板整体式复合隔热瓦覆盖的所述弹性金属承载结构上；
所述对加载过程中的待测热防护结构进行应变和挠度测量，直至待测热防护结构被破坏的步骤包括：
利用3D数字散斑设备探测预设在待测热防护结构上表面的散斑，获取加载过程中待测热防护结构的应变数据；
利用视频挠度仪对待测热防护结构进行挠度测量；
所述对基于所述破坏边界实验数据构建的静力学分析模型进行修正，获得在误差允许范围内的静力学分析模型的步骤包括：
基于所述破坏边界实验数据，利用ABAQUS分析软件构建待测热防护结构的静力学分析模型；
所述对基于所述破坏边界实验数据构建的静力学分析模型进行修正，获得在误差允许范围内的静力学分析模型的步骤包括：
将对静力学模型求解获得的数据与试验结果进行比对，获得误差值；
根据所述误差值，对待测热防护结构进行调整，直至静力学模型的求解数据与试验分析结构的误差在允许范围内，得到修正后的静力学分析模型；
所述对待测热防护结构进行调整为调节夹芯层剪切模量参数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述待测热防护结构为缝合夹层整体式热防护结构。
3.一种静强度分析方法，其特征在于，该方法包括：
基于权利要求1至2任意一项所述方法修正的静力学分析模型所对应的参数，对待测热防护结构进行静强度计算，获得压缩应力；
利用所述压缩应力与压缩强度极限进行分析，获得待测热防护结构的静强度裕度。
4.一种用于执行权利要求1至2任意一项所述方法的静力学分析模型修正系统，其特征在于，该系统包括：
数据获取单元，获取待测热防护结构的压缩应力及压缩强度极限实验数据；
修正单元，对基于所述破坏边界实验数据构建的静力学分析模型进行修正，获得在误差允许范围内的静力学分析模型；
所述数据获取单元获取的数据是基于四点弯曲受压试验方法，对待测热防护结构进行受压实验获得的；
所述修正单元采用ABAQUS分析软件构建静力学分析模型和对模型进行修正。
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