CN111274723A - 一种力/热环境下复合材料整流罩结构分离及强度可靠性分析方法 - Google Patents
一种力/热环境下复合材料整流罩结构分离及强度可靠性分析方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种力/热环境下复合材料整流罩结构分离及强度可靠性分析方法，该方法包括如下步骤：S1：建立整流罩结构有限元模型；S2：根据分离过程各部分结构的相对位置与相互作用关系对步骤S1建立的有限元模型添加接触设置；S3：对步骤S1建立的有限元模型施加冲击载荷、温度载荷和边界条件；S4：基于LS‑DYNA求解器进行动力学问题求解；S5：基于LS‑DYNA后处理软件LS‑PREPOST软件进行后处理，提取单元的应力、位移、转动角度结果；S6：基于步骤S5提取的应力结果进行计及不确定性强度参数的Chang‑Chang模型开展复合材料层合板的可靠性分析。本发明的技术方案可实现对复合材料结构在冲击载荷/温度载荷联合作用下的分离过程分析，进而实现对复合材料层合板的强度可靠性评估。
Description
技术领域
本发明涉及结构动力学技术领域，尤其涉及一种力/热环境下复合材料整流罩结构分离及强度可靠性分析方法。
背景技术
现有研究方法主要集中于不同因素对整流罩结构分离轨迹、分离姿态的影响，较少考虑整流罩在真实分离过程中所处的多重载荷环境，尤其是缺少包含温度载荷因素的分析方法。此外，现有研究方法缺少对于分离处断裂状态的关注。此外，现有研究方法大多针对简单结构开展研究，对于复杂结构的整体分析较少。
本发明针对现有分析方法的在载荷环境、复杂复合材料结构强度分析上的局限性，提供了一种力/热环境下复合材料整流罩结构分离及强度可靠性分析方法，在分析多重载荷环境下整流罩分离过程的同时进一步实现对复合材料结构的强度可靠性动态评估。
发明内容
发明目的：针对整流罩结构冲击分离过程中载荷环境的复杂性和复合材料力学性能的离散性造成分析难度较大的现状。本发明考虑多重载荷环境下复合材料结构的分离动力学及强度可靠性，提供了一种力/热环境下复合材料整流罩结构分离及强度可靠性分析方法。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种力/热环境下复合材料整流罩结构分离及强度可靠性分析方法，所述方法具体包括如下步骤：
S1：建立整流罩结构有限元模型；
S2：根据分离过程各部分结构的相对位置与相互作用关系对步骤S1建立的有限元模型添加接触设置；
S3：对步骤S1建立的有限元模型施加冲击载荷、温度载荷及边界条件；
S4：基于LS-DYNA求解器进行动力学问题求解；
S5：基于LS-DYNA后处理软件LS-PREPOST软件进行后处理，提取单元的应力结果；
S6：基于步骤S5提取的应力结果进行计及不确定性强度参数的Chang-Chang模型开展复合材料层合板的可靠性分析。
更进一步地，所述步骤S1建立结构有限元模型，具体包括：
S1.1：基于Hypermesh软件为结构几何结构划分网格，初步建立结构的有限元模型；
S1.2：对步骤S1.1中的有限元模型设置材料属性。
更进一步地，所述步骤S1.2对步骤S1.1建立的模型设置材料属性，具体包括：
S1.2.1：对结构中分离处高温合金材料采用双线性各向同性塑形材料本构模型；
S1.2.2：对结构中复合材料结构采用Chang-Chang失效准则模型；
S1.2.3：对结构中复合材料结构部分通过*PART_COMPOSITE属性设置复合材料铺层。
更进一步地，所述步骤S2根据分离过程各部分结构的相对位置与相互作用关系对步骤S1建立的有限元模型添加接触设置，具体包括：
S2.1：对发生碰撞的两接触面之间设置面面接触；
S2.2：发生碰撞的两接触面从发生碰撞的时刻开始建立绑定接触。
更进一步地，所述步骤S3对步骤S1建立的有限元模型施加冲击载荷、温度载荷及边界条件，具体包括：
S3.1：对结构产生冲击载荷部分通过*LOAD_NODE_SET在每个节点施加等效冲击载荷；
S3.2：对结构有限元模型通过*LOAD_THERMAL_OPTION对每个节点施加温度载载荷；
S3.3：对结构中不分离部分设置固定约束边界条件。
更进一步地，所述步骤S4基于LS-DYNA求解器进行动力学问题求解，具体包括：
S4.1：设置求解类型、求解时间和能量沙漏求解控制参数；
S4.2：设置输出间隔时间、复合材料层合板分层输出控制参数；
S4.3：将上述所有模型信息输出为Keyword文件并提交LS-DYNA求解器进行分离动力学问题求解以计算冲击响应值。
更进一步地，所述步骤S5基于LS-DYNA后处理软件LS-PREPOST软件进行后处理，提取单元的应力结果，具体包括：
S5.1：对步骤S4计算结果D3PLOT文件进行读取，分别显示每层层合板的VonMises应力云图，锁定每层应力最大的单元；
S5.2：分别输出S5.1中锁定单元的纵向拉伸应力σ1时程曲线、横向拉伸应力σ2时程曲线、剪切应力τ12时程曲线。
更进一步地，所述步骤S6基于步骤S5提取的应力结果进行计及不确定性强度参数的Chang-Chang模型开展复合材料层合板的可靠性分析，具体包括：
S6.1：求解有限元模型中每个单元在确定强度参数下的失效参数；
S6.2：选定S6.1中所有失效参数中值最大的单元，进一步计算该单元计及强度参数不确定性的可靠性。
更进一步的，所述步骤S6.1求解有限元模型中每个单元在确定强度参数下的失效参数，包括基体开裂失效指标、压缩失效指标、纤维断裂失效指标，基于Chang-Chang失效准则的失效指标计算方式具体如下：
基体开裂失效准则定义为：
当Fmatrix>1时判定为失效；
压缩失效准则定义为：
当Fcomb>1时判定为失效；
纤维断裂失效准则定义为：
当Ffiber>1时判定为失效；
其中，S1为材料的纵向拉伸强度，S2为材料的横向拉伸强度，S12为材料的剪切强度，C2为材料的横向压缩强度，σ1为纵向拉伸应力、σ2为横向拉伸应力、τ12为剪切应力。
更进一步地，所述步骤6.2选定S6.1中所有失效参数中值最大的单元，进一步计算该单元计及强度参数不确定性的可靠性，包括基体开裂、压缩失效、纤维断裂形式下的可靠性，具体计算方式如下：
将强度参数S1、S2、S12、C2和应力参数σ1、σ2、τ12作为满足正态分布的基本随机变量，将三种失效形式进一步表示为状态函数的形式：
Gmartix＝Fmartix-1
Gcomb＝Fcomb-1
Gfiber＝Ffiber-1
将上式分别在随机变量S1、S2、S12、C2、σ1、σ2、τ12均值点处展开为泰勒级数并保留至一次项可得：
其中，
分别为下标对应强度参数的均值，
分别为对应应力分量的均值，进而得到以上状态函数的均值：
标准差可由下式计算得到：
其中：
分别为下标对应强度参数的标准差，
分别为对应应力分量的标准差。由此可分别计算出各失效形式下的可靠度指标：
进一步计算得到各失效形式下的失效概率：
Pfm＝P(Gmatrix＞0)＝Φ(-βmatrix)
Pfc＝P(Gcomb＞0)＝Φ(-βcomb)
Pff＝P(Gfiber＞0)＝Φ(-βfiber)
其中，Φ为标准正态函数。
进一步得到各失效形式下的可靠性：
Rmatrix＝1-Pfm＝1-Φ(-βmatrix)
Rcomb＝1-Pfc＝1-Φ(-βcomb)
Rfiiber＝1-Pff＝1-Φ(-βfiber)。
有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果：
本发明可高效实现对复合材料结构在冲击载荷/温度载荷联合作用下的分离过程分析，同时对复合材料层合板的强度可进行靠性评估，提供了基于计及不确定性的Chang-Chang失效准则的复合材料结构的可靠性评估方法，提高了对于复合材料结构分离过程分析及强度可靠性评估的效率。
附图说明
图1为本发明方法的逻辑流程框图；
图2为结构示意图；
图3分离装置冲击载荷曲线图；
图4为蒙皮复合材料层合板第一层10ms时刻应力云图；
图5(a)为各层基体开裂失效指标时程曲线图；
图5(b)为各层压缩失效指标时程曲线图；
图5(c)为各层纤维断裂失效指标时程曲线图；
图6为可靠性时程曲线图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、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清楚、完整地描述。其中，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。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。
应注意的是，相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义或说明，则在随后的附图的说明中将不需要再对其进行进一步的具体讨论和描述。
实施例1
本实施例提供了一种力/热环境下复合材料整流罩结构分离及强度可靠性分析方法，参考图1和图2，对如图2所示的结构，进行分离过程及复合材料层合板强度可靠性分析。在本实施例中，具体地讲，复合材料结构由蒙皮、分离装置、挡板、支撑板与折弯片五部分组成。分离时，分离装置产生瞬时冲击力，经过短暂空行程后撞击蒙皮后并与蒙皮固定连接。随后罩体在冲击力与气动力联合作用下，以折弯片凹槽处为轴，沿z轴逆时针转动，最终脱落。
通过本发明的动力学分析方法进行力/热环境下复合材料结构分离及强度可靠性分析，具体包括如下步骤：
步骤S1：建立整流罩结构有限元模型：
步骤S1.1：基于Hypermesh软件为结构几何结构划分网格，初步建立结构的有限元模型；
步骤S1.2：对步骤S1.1建立的模型设置材料属性：
步骤S1.2.1：对结构中分离处高温合金材料采用双线性各向同性塑形材料本构模型。具体地为：折弯片采用实体单元建模方式，材料为高温合金，密度为4500kg/m3，弹性模量为215GPa，泊松比为0.39，屈服强度为400MPa，切线模量为1.86GPa，伸长率为0.14。
步骤S1.2.2：对结构中复合材料结构采用Chang-Chang失效准则模型。具体地为：蒙皮、挡板和支撑板采用壳单元建模，材料采用C/C复合材料，密度为1800kg/m3，纵向弹性模量为120GPa，纵向弹性模量为88GPa，剪切模量为82GPa，纵向泊松比为0.31，剪切强度为110MPa，纵向拉伸强度为1700MPa，横向拉伸强度为81.3MPa，横向压缩强度为21.2MPa。
步骤S1.2.3：对结构中复合材料结构部分通过*PART_COMPOSITE属性设置复合材料铺层。具体地为：复合材料层合板按照[0/90/±45/0/90/±45/0]°进行铺层。
步骤S2：根据分离过程各部分结构的相对位置与相互作用关系对步骤S1建立的有限元模型添加接触设置：
步骤S2.1：对发生碰撞的两接触面之间设置面面接触。具体地为：对分离装置与复合材料罩体之间设置面面接触；
步骤S2.2：发生碰撞的两接触面从发生碰撞的时刻开始建立绑定接触。具体地为：对分离装置与复合材料罩体之间从0.2s时刻设置绑定接触。
步骤S3：对步骤S1建立的有限元模型施加冲击载荷、温度载荷及边界条件：
步骤S3.1：结构产生冲击载荷部分通过*LOAD_NODE_SET在每个节点施加冲击载荷。具体地为：对图2中b处施加图3中冲击载荷；
步骤S3.2：对结构有限元模型通过*LOAD_THERMAL_OPTION对每个节点施加温度载载荷。具体地为：对图2模型中每个节点施加500℃温度载荷。
步骤S3.3：对结构中不分离部分设置固定约束边界条件。具体地为：在折弯片尾部螺纹孔处施加固支约束。
步骤S4：基于LS-DYNA求解器进行动力学问题求解：
步骤S4.1：设置求解类型、求解时间和能量沙漏等求解控制参数。具体地为：设置求解类型为热力耦合求解；设置求解时间为0.17s；设置能量沙漏控制率为0.1。
步骤S4.2：设置输出间隔时间、复合材料层合板分层输出等输出控制参数。具体地为：设置*DATABASE_BINARY_D3PLOT和*DATABASE_BINARY_D3THDT命令中的DT值为0.0001，设置*DATABASE_EXTENT_BINARY命令中的MAXINT数值为9。
步骤S4.3：将上述所有模型信息输出为Keyword文件并提交LS-DYNA求解器进行分离动力学问题求解以计算冲击响应值。
步骤S5：基于LS-DYNA后处理软件LS-PREPOST软件进行后处理，提取单元的应力结果：
步骤S5.1：对步骤S4计算结果D3PLOT文件进行读取，分别显示每层层合板的VonMises应力云图，锁定每层应力最大的单元，如图4所示。
步骤S5.2：分别输出S6.1中锁定单元的纵向拉伸应力σ1时程曲线、横向拉伸应力σ2时程曲线、剪切应力τ12时程曲线。
步骤S6：基于步骤S5提取的应力结果进行计及不确定性强度参数的Chang-Chang模型开展复合材料层合板的可靠性分析：
步骤S6.1：求解有限元模型中每个单元在确定强度参数下的失效参数，具体地为：
基体开裂失效准则定义为
当Fmatrix>1时判定为失效。
压缩失效准则定义为
当Fcomb>1时判定为失效。
纤维断裂失效准则定义为
当Ffiber>1时判定为失效。
其中：S1为材料的纵向拉伸强度，S2为材料的横向拉伸强度，S12为材料的剪切强度，C2为材料的横向压缩强度，σ1为纵向拉伸应力、σ2为横向拉伸应力、τ12为剪切应力。以上参数计算计算结果如图5(a)、5(b)、5(a)所示。
步骤S6.2：选定S6.1中所有失效参数中值最大的单元，进一步计算该单元计及强度参数不确定性的可靠性：
将强度参数S1、S2、S12、C2和应力参数σ1、σ2、τ12作为满足正态分布的基本随机变量，将三种失效形式进一步表示为状态函数的形式
Gmartix＝Fmartix-1
Gcomb＝Fcomb-1
Gfiber＝Ffiber-1
将上式分别在随机变量S1、S2、S12、C2、σ1、σ2、τ12均值点处展开为泰勒级数并保留至一次项可得
其中：
分别为下标对应强度参数的均值，
分别为对应应力分量的均值。进而得到以上状态函数的均值:
标准差为
其中：
分别为下标对应强度参数的标准差，
分别为对应应力分量的标准差。由此可计算出各失效形式下的可靠度指标
进一步计算得到各失效形式下的失效概率：
Pfm＝P(Gmatrix＞0)＝Φ(-βmatrix)
Pfc＝P(Gcomb＞0)＝Φ(-βcomb)
Pff＝P(Gfiber＞0)＝Φ(-βfiber)
其中：Φ为标准正态函数。
进一步得到各失效形式下的可靠性
Rmatrix＝1-Pfm＝1-Φ(-βmatrix)
Rcomb＝1-Pfc＝1-Φ(-βcomb)
Rfiiber＝1-Pff＝1-Φ(-βfiber)
具体可靠性计算结果如图6所示。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构和方法并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种力/热环境下复合材料整流罩结构分离及强度可靠性分析方法，其特征在于，所述方法具体包括如下步骤：
S1：建立整流罩结构有限元模型；
S2：根据分离过程各部分结构的相对位置与相互作用关系对步骤S1建立的有限元模型添加接触设置；
S3：对步骤S1建立的有限元模型施加冲击载荷、温度载荷及边界条件；
S4：基于LS-DYNA求解器进行动力学问题求解；
S5：基于LS-DYNA后处理软件LS-PREPOST软件进行后处理，提取单元的应力结果；
S6：基于步骤S5提取的应力结果进行计及不确定性强度参数的Chang-Chang模型开展复合材料层合板的可靠性分析。
2.根据权利要求1所述的一种力/热环境下复合材料整流罩结构分离及强度可靠性分析方法，其特征在于，所述步骤S1建立结构有限元模型，具体包括：
S1.1：基于Hypermesh软件为结构几何结构划分网格，初步建立结构的有限元模型；
S1.2：对步骤S1.1中的有限元模型设置材料属性。
3.根据权利要求2所述的一种力/热环境下复合材料整流罩结构分离及强度可靠性分析方法，其特征在于，所述步骤S1.2对步骤S1.1建立的模型设置材料属性，具体包括：
S1.2.1：对结构中分离处高温合金材料采用双线性各向同性塑形材料本构模型；
S1.2.2：对结构中复合材料结构采用Chang-Chang失效准则模型；
S1.2.3：对结构中复合材料结构部分通过*PART_COMPOSITE属性设置复合材料铺层。
4.根据权利要求1所述的一种力/热环境下复合材料整流罩结构分离及强度可靠性分析方法，其特征在于，所述步骤S2根据分离过程各部分结构的相对位置与相互作用关系对步骤S1建立的有限元模型添加接触设置，具体包括：
S2.1：对发生碰撞的两接触面之间设置面面接触；
S2.2：发生碰撞的两接触面从发生碰撞的时刻开始建立绑定接触。
5.根据权利要求1所述的一种力/热环境下复合材料整流罩结构分离及强度可靠性分析方法，其特征在于，所述步骤S3对步骤S1建立的有限元模型施加冲击载荷、温度载荷及边界条件，具体包括：
S3.1：对结构产生冲击载荷部分通过*LOAD_NODE_SET在每个节点施加等效冲击载荷；
S3.2：对结构有限元模型通过*LOAD_THERMAL_OPTION对每个节点施加温度载载荷；
S3.3：对结构中不分离部分设置固定约束边界条件。
6.根据权利要求1所述的一种力/热环境下复合材料整流罩结构分离及强度可靠性分析方法，其特征在于，所述步骤S4基于LS-DYNA求解器进行动力学问题求解，具体包括：
S4.1：设置求解类型、求解时间和能量沙漏求解控制参数；
S4.2：设置输出间隔时间、复合材料层合板分层输出控制参数；
S4.3：将上述所有模型信息输出为Keyword文件并提交LS-DYNA求解器进行分离动力学问题求解以计算冲击响应值。
7.根据权利要求1所述的一种力/热环境下复合材料整流罩结构分离及强度可靠性分析方法，其特征在于，所述步骤S5基于LS-DYNA后处理软件LS-PREPOST软件进行后处理，提取单元的应力结果，具体包括：
S5.1：对步骤S4计算结果D3PLOT文件进行读取，分别显示每层层合板的VonMises应力云图，锁定每层应力最大的单元；
S5.2：分别输出S5.1中锁定单元的纵向拉伸应力σ1时程曲线、横向拉伸应力σ2时程曲线、剪切应力τ12时程曲线。
8.根据权利要求1所述的一种力/热环境下复合材料整流罩结构分离及强度可靠性分析方法，其特征在于，所述步骤S6基于步骤S5提取的应力结果进行计及不确定性强度参数的Chang-Chang模型开展复合材料层合板的可靠性分析，具体包括：
S6.1：求解有限元模型中每个单元在确定强度参数下的失效参数；
S6.2：选定S6.1中所有失效参数中值最大的单元，进一步计算该单元计及强度参数不确定性的可靠性。
9.根据权利要求8所述的一种力/热环境下复合材料整流罩结构分离及强度可靠性分析方法，其特征在于，所述步骤S6.1求解有限元模型中每个单元在确定强度参数下的失效参数，包括基体开裂失效指标、压缩失效指标、纤维断裂失效指标，基于Chang-Chang失效准则的失效指标计算方式具体如下：
基体开裂失效准则定义为：
当Fmatrix>1时判定为失效；
压缩失效准则定义为：
当Fcomb>1时判定为失效；
纤维断裂失效准则定义为：
当Ffiber>1时判定为失效；
其中，S1为材料的纵向拉伸强度，S2为材料的横向拉伸强度，S12为材料的剪切强度，C2为材料的横向压缩强度，σ1为纵向拉伸应力、σ2为横向拉伸应力、τ12为剪切应力。
10.根据权利要求8所述的一种力/热环境下复合材料整流罩结构分离及强度可靠性分析方法，其特征在于，所述步骤6.2选定S6.1中所有失效参数中值最大的单元，进一步计算该单元计及强度参数不确定性的可靠性，包括基体开裂、压缩失效、纤维断裂形式下的可靠性，具体计算方式如下：
将强度参数S1、S2、S12、C2和应力参数σ1、σ2、τ12作为满足正态分布的基本随机变量，将三种失效形式进一步表示为状态函数的形式：
Gmartix＝Fmartix-1
Gcomb＝Fcomb-1
Gfiber＝Ffiber-1
将上式分别在随机变量S1、S2、S12、C2、σ1、σ2、τ12均值点处展开为泰勒级数并保留至一次项可得：
其中，
分别为下标对应强度参数的均值，
分别为对应应力分量的均值，进而得到以上状态函数的均值：
标准差可由下式计算得到：
c
其中：
分别为下标对应强度参数的标准差，
分别为对应应力分量的标准差。由此可分别计算出各失效形式下的可靠度指标：
进一步计算得到各失效形式下的失效概率：
Pfm＝P(Gmatrix＞0)＝Φ(-βmatrix)
Pfc＝P(Gcomb＞0)＝Φ(-βcomb)
Pff＝P(Gfiber＞0)＝Φ(-βfiber)
其中，Φ为标准正态函数；
进一步得到各失效形式下的可靠性：
Rmatrix＝1-Pfm＝1-Φ(-βmatrix)
Rcomb＝1-Pfc＝1-Φ(-βcomb)
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| CN111274723B (zh) | 2021-01-12 |
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