CN115906592A - 电脉冲除冰仿真方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及除冰仿真技术领域，具体公开了一种电脉冲除冰仿真方法及系统，方法包括：S1构建除冰有限元基础模型；S2对有限元基础模型施加模拟电脉冲除冰载荷；S3建立有限元方程，并求解出在模拟电脉冲除冰载荷作用下冰层、冰层/蒙皮界面的应力和应变；S4通过冰层、冰层/蒙皮界面的应力和应变进行冰层脱落判断，并将发生冰层脱落的单元删除；冰层脱落判断包括：判断冰层是否发生断裂；判断冰层与蒙皮界面是否脱粘；若冰层断裂或/和冰层/蒙皮界面脱粘则冰层脱落；S5重复步骤S3‑S4，直到达到预定除冰仿真时间阈值。本发明综合考虑冰层断裂与冰层/蒙皮界面脱粘对冰脱落的影响，能够更为合理、准确预测电脉冲除冰效果。

Description

电脉冲除冰仿真方法及系统

技术领域

本发明涉及除冰仿真技术领域，尤其涉及一种对电脉冲除冰进行仿真的方法及系统。

背景技术

针对飞机结冰，当前飞机防除冰技术主要分为被动防冰和主动除冰两类。电脉冲除冰作为一种机械式主动除冰技术，具有能量消耗低、结构简单、重量轻、通用性强、可靠性高等优点，能够满足飞机除冰安全性与低能耗环保性要求，具有广泛的应用潜力。

电脉冲除冰系统如图1所示，其基本工作原理为：电流诱导线圈产生电磁场，从而在飞机蒙皮瞬时激发成百上千牛的脉冲排斥力。飞机蒙皮在电脉冲排斥力的激励下发生形变，并将冲击、振动载荷传递至蒙皮表面覆冰，使冰层发生脱落，最终达到除冰目的。

电脉冲防除冰技术的发展与应用离不开数值仿真，模拟冰脱落过程以及预测除冰效果对电脉冲除冰系统的研制有重要的指导意义。精准的防除冰仿真模型能够帮助人们迅速的完成防除冰系统设计、分析与优化工作。复杂结构的解析理论计算通常非常繁琐，因此采用数值方法进行求解较为简捷。有限元方法(Finite element method)通过把复杂的微分方程组离散为线性方程组求解，可获取电脉冲除冰时蒙皮及冰层的应力、应变响应，并基于损伤力学原理对除冰过程进行模拟仿真。

现有技术专利202110547007.5公开一种基于近场动力学理论的飞机电脉冲除冰模拟方法，首先建立电脉冲除冰系统的数值模型，模拟高应变率状态下冰层与蒙皮的动力学响应，构建距离加权的双材料界面模型，模拟冰层与铝制蒙皮间的相互作用。考虑到冰在基底上附着能力存在各向异性，将界面键分为界面剪切键和界面拉伸键两类，推导了两种键临界伸长率的数值求解方法，利用两种键不同的临界伸长率模拟了冰在基底上的抗拉能力和抗剪能力。基于界面键的损伤模型，构建了单个冰质点的剥离率和界面冰层剥离率的表达式作为 电脉冲除冰效果的一个指标。该方法仅考虑了冰层与蒙皮界面之间的脱粘，未考虑冰层断裂对冰脱落的影响。因此，该仿真方法模拟出来的除冰效果与真实效果之间存在差异，且不能用于分析与冰层断裂相关的物性参数对防除冰效果的影响规律，不能满足防除冰仿真的精准性要求和考察变量全面性要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电脉冲除冰仿真方法及系统，通过对冰层断裂以及冰层与蒙皮界面脱粘情况的同时考虑，使得仿真结果更加准确，并能全面考察分析冰层断裂、冰层与蒙皮界面脱粘相关联的物性参数对防除冰效果的影响规律。

为了解决上述所提到的技术问题，本发明提供一种电脉冲除冰仿真方法，包括：

S1构建除冰有限元基础模型，所述除冰有限元基础模型包括蒙皮以及冰层；

S2对有限元基础模型施加模拟电脉冲除冰载荷；

S3建立有限元方程，并求解出在模拟电脉冲除冰载荷作用下冰层、冰层/蒙皮界面的应力和应变；

S4通过冰层的应力和应变、冰层/蒙皮界面的应力和应变进行冰层脱落判断，并将发生冰层脱落的单元删除；所述冰层脱落判断的方法包括：

判断冰层是否发生断裂；

判断冰层/蒙皮界面是否发生脱粘；

若判断出所述冰层发生断裂，或/和所述冰层/蒙皮界面发生脱粘，判定所述冰层脱落；

S5重复步骤S3-S4，直到达到预定的除冰仿真时间阈值。

作为一种改进，所述构建除冰有限元模型的方法包括：

构建蒙皮及冰层的几何模型；

输入蒙皮及冰层的材料属性；

将蒙皮及冰层的几何模型进行网格化；

为蒙皮及冰层的几何模型设置边界条件。

作为一种改进，所述对有限元模型施加模拟电脉冲除冰载荷的方法包括：模拟电脉冲产生的冲击载荷施加在蒙皮中心区域，设置电脉冲最大冲击力、持续时间、电脉冲载荷随时间的变化形式以及除冰总时间。

作为一种改进，所述判断所述冰层是否发生断裂的方法包括：

判断所述冰层是否出现初始裂纹，若公式

成立，则冰层出现初始裂纹，其中为冰层拉伸应力，为冰层断裂强度；

判断裂纹是否扩展至冰层断裂的程度，若公式

成立，则冰层发生断裂，其中为断裂能，为裂纹出拉伸应力，为裂纹开口位移，∫为积分运算符号，为微分运算符号。

作为一种改进，所述判断冰层与蒙皮界面是否脱粘的方法包括：

若公式

成立，则界面脱粘；其中为冰层/蒙皮界面法向应力，为冰层/蒙皮界面层间剪切应力，为冰层/蒙皮界面法向粘附强度，为冰层/蒙皮界面剪切粘附强度，、分别为冰层/蒙皮界面法向粘附强度系数、冰层/蒙皮界面剪切粘附强度系数。

本发明还提供一种电脉冲除冰仿真系统，包括：

模型构建模块，用于构建除冰有限元基础模型；所述除冰有限元基础模型包括蒙皮以及冰层；

电脉冲模拟模块，用于对有限元基础模型施加模拟电脉冲除冰载荷；

应力和应变计算模块，用于建立有限元方程，并求解在电脉冲除冰载荷作用下有限元基础模型中的冰层、冰层/蒙皮界面的应力和应变；

冰层脱落判断模块，用于通过冰层的应力和应变、冰层/蒙皮界面的应力和应变进行冰层脱落判断，并将发生冰层脱落的单元删除；所述冰层脱落判断模块包括用于冰层是否发生断裂的冰层断裂判断模块和用于判断冰层/蒙皮界面是否脱粘的冰层/蒙皮界面脱粘判断模块。

作为一种改进，所述模型构建模块包括：

几何模型构建模块，用于构建蒙皮及冰层的几何模型；

材料属性输入模块，用于输入蒙皮及冰层的材料属性；

网格化模块，用于将蒙皮及冰层的几何模型进行网格化；

边界条件设置模块，用于为蒙皮及冰层的几何模型设置边界条件。

作为一种改进，所述电脉冲模拟模块包括：

电脉冲发生模块，用于模拟电脉冲产生的冲击载荷，并施加在蒙皮中心区域；

参数设置模块，用于设置电脉冲最大冲击力、持续时间以及除冰仿真总时间。

作为一种改进，所述冰层脱落判断模块包括：

初始裂纹判断模块，用于判断冰层是否出现裂纹，若公式

成立，则冰层出现裂纹，其中为冰层拉伸应力，为冰层断裂强度；

裂纹程度判断模块，用于判断裂纹是否达到使得冰层断裂的程度，若公式

成立，则冰层断裂，其中为断裂能，为裂纹出拉伸应力，为裂纹开口位移，∫为积分运算符号，为微分运算符号。

作为一种改进，所述冰层/蒙皮界面脱粘判断模块用于判断冰层与蒙皮界面是否脱粘，

若公式

成立，则界面脱粘；其中为冰层/蒙皮界面法向应力，为冰层/蒙皮界面层间剪切应力，为冰层/蒙皮界面法向粘附强度，为冰层/蒙皮界面剪切粘附强度，、分别为冰层/蒙皮界面法向粘附强度系数、冰层/蒙皮界面剪切粘附强度系数。

本发明的有益之处在于：

尽管当前电脉冲除冰仿真研究已开展了许多工作，但目前防除冰模型仅局限于冰层/蒙皮界面应力对冰脱落的作用，忽略了冰层自身断裂的影响，仿真方法尚不够精细，仿真结果也不够准确，也无法全面分析冰层断裂物性参数及界面脱粘物性参数对除冰效果的影响规律。针对以上问题，本发明综合考虑冰层/蒙皮界面脱粘与冰断裂对冰脱落的影响，建立了一种考虑冰层断裂与界面脱粘的电脉冲除冰仿真方法。本发明提出的电脉冲除冰仿真方法能够更为合理、准确的预测电脉冲除冰效果，并可以全面分析冰层断裂物性参数及界面脱粘物性参数对除冰效果的影响规律，为电脉冲除冰系统设计提供更精细化的设计方法支撑。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为电脉冲除冰系统的结构示意图；

图2为电脉冲载荷作用下冰层脱落模式示意图；

图3为本发明的电脉冲除冰仿真方法流程图；

图4为有限元基础模型示意图；

图5为电脉冲加载示意图；

图6为电脉载荷历程示意图；

图7为冰层断裂损伤模型示意图；

图8为断裂后的强度线性损失形式示意图；

图9a为电脉冲除冰试验结果图；

图9b为本发明的仿真结果图；

图9c为现有技术的仿真结果图；

图9d为另一种现有技术的仿真结果图；

图10a为本发明同时考虑冰层断裂与冰层/蒙皮界面脱粘的冰脱落计算结果的示意图；

图10b为仅考虑冰层断裂的冰脱落计算结果示意图；

图10c为仅考虑冰层/蒙皮界面脱粘的冰脱落计算结果示意图；

图11a为本发明的电脉冲除冰仿真系统的结构原理图；

图11b为本发明的电脉冲除冰仿真系统的功能模块图。

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。显然，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

本文中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身没有特定的意义。因此，“模块”、“部件”或“单元”可以混合地使用。

本文中，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前”、“后”、“一端”、“另一端”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的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本文中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本文中“和/或”包括任何和所有一个或多个列出的相关项的组合。

本文中“多个”意指两个或两个以上，即其包含两个、三个、四个、五个等。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

根据电脉冲除冰实验实际情况，在电脉冲冲击载荷作用下，机翼蒙皮覆冰的脱落过程可以细化为两种失效模式：冰层/蒙皮界面脱粘、冰层自身断裂。从结构失效角度分析，也可以把覆冰蒙皮当作一种“复合材料结构”，冰层、冰层/蒙皮界面、蒙皮为其次结构。冰层/蒙皮脱粘对应冰层/蒙皮界面结构破坏，冰层断裂则对应冰层自身结构破坏，如图2所示。

冰层与蒙皮在电脉冲载荷作用下，其瞬时应力状态非常复杂。一方面，冰层/蒙皮界面存在剪切应力以及惯性法向应力，当界面耦合应力超过冰层界面粘附强度时，冰层与蒙皮发生脱粘；另一方面，当冰层内部主应力足够大时，会促使冰层内部产生I型裂纹（裂纹有I型、II型、III型三种，由于在电脉冲除冰载荷作用下，冰层内部主要是正应力，所以本发明中只考虑了I型裂纹），导致冰层发生断裂。尽管目前在电脉冲除冰实验中难以明确冰层界面脱粘与冰断裂的先后发展顺序。但显而易见，冰层/蒙皮界面脱粘会加速冰层发生断裂，冰层自身断裂也有利于冰层/蒙皮界面脱粘的产生，两种失效模式互相促进、推动，最终导致冰层发生脱落。将冰脱落细化为冰层/蒙皮脱粘与冰层断裂两种失效模式能够更加精细、合理的模拟除冰过程。

基于上述实验现象及机理分析，本发明提供了一种同时考虑冰层断裂和冰层/蒙皮界面脱粘的电脉冲除冰仿真方法，采用多机理损伤模型进行冰脱落判据，如图3所示，具体包括以下步骤：

S1构建除冰有限元模型。

S11构建蒙皮及冰层的几何模型。

本实施例中，蒙皮为铝制平板蒙皮，其尺寸为420 mm×420 mm，厚度为2.0 mm；冰层均匀覆盖于铝板上方，冰层厚度为3.0 mm，构建好的几何模型如图4所示。

S12输入蒙皮及冰层的材料属性，包括蒙皮的密度、弹性模量、泊松比，冰层的密度、弹性模量、泊松比、断裂强度、断裂能，冰层/蒙皮界面法向粘附强度、冰层/蒙皮界面剪切粘附强度、冰层/蒙皮界面法向粘附强度系数、冰层/蒙皮界面剪切粘附强度系数。

具体地，本实施例中蒙皮弹性模量为71.5 GPa，泊松比为0.33，密度为2780 kg/m3；冰层弹性模量为5.5 GPa，泊松比为0.3，密度为897 kg/m3。为1.6 MPa，为4E-4N/mm，、分别为1.44 MPa与0.4 MPa，a为1、b为2。

S13将蒙皮及冰层的几何模型进行网格化。

如图4所示，冰层沿厚度方向设置1层网格，铝板沿厚度方向设置4层网格，在中心电脉冲载荷作用区域对网格进行优化，网格总数经收敛性检验设置为33060。采用ABAQUS三维八节点非协调模式单元 (C3D8I)与连续壳单元(SC8R)分别对冰层与铝板进行模拟，冰层在铝板上的附着力通过冰层/蒙皮间的单元节点传递。

S14为蒙皮及冰层的几何模型设置边界条件。

本实施例中，铝板两边为固支边界条件，另外两边为自由边界条件。

S2对有限元模型施加模拟电脉冲除冰载荷，具体为模拟电脉冲产生的冲击载荷施加在蒙皮中心区域，设置电脉冲最大冲击力、持续时间、电脉冲载荷随时间变化形式以及除冰仿真总时间。

本实施例中，如图5所示，由电脉冲产生的冲击载荷施加在板中间直径为60 mm的区域。电脉冲激振作用于蒙皮的时间很短，但在冲击载荷消失后，蒙皮仍会以其自然频率振动。模型对应的电脉冲载荷历程为如图6所示，其最大冲击力为130 N，持续时间为1 ms，除冰仿真总时间为80 ms。

S3根据模拟电脉冲除冰载荷对有限元模型的冲击建立有限元方程，并求解出有限元模型承受的应力和发生的应变。

本实施例中，采用ABAQUS 2016/Explicit显式动力学模块完成除冰有限元模型瞬态非线性动力学求解，得到蒙皮结构及冰层的应力应变响应（如冰层拉伸应力、冰层/蒙皮界面法向应力，冰层/蒙皮界面层间剪切应力）。有限元基本动力学方程为：

[M]+[C]+[K]=F

其中，[M]为总体质量矩阵；[C]为总体阻尼矩阵；[K]为总体刚度矩阵；F为电脉冲载荷，为节点位移；为的一阶导数，即速度；为的二阶导数，即加速度。其求解过程为现有技术，本发明中不再赘述。

S4通过冰层的应力和应变、冰层/蒙皮界面的应力和应变进行冰层脱落判断，并将发生冰层脱落的单元删除。

在一些实施例中，判断冰层脱落的方法包括：

S41判断冰层是否发生断裂。冰层自身物理属性介于韧性材料与脆性材料之间。在低应变率情况下，冰层呈现宏观韧性；而受高应变率载荷时，冰层呈现宏观脆性。在电脉冲除冰过程中，冰层处于高应变率受载状态，冰层力学特性呈现出准脆性特征，其本构关系如图7所示，横坐标ε为应变，纵坐标σ为应力，图中曲线为冰层的应力-应变曲线。在这里反映出冰层作为一种材料，它的断裂损伤模型为准脆性损伤模型。

准脆性损伤模型可以很好的描述由拉伸主导引发的材料裂纹演变行为，当最大主拉伸应力超出冰层拉伸强度时判定初始裂纹生成，其具体方法为：

S411首先判断冰层是否出现初始裂纹，若公式

成立，则冰层出现初始裂纹，其中为冰层拉伸应力，为冰层断裂强度；

S412然后再判断裂纹是否达到使得冰层断裂的程度。冰层开裂后裂纹损伤演化行为由基于断裂面的断裂能开裂准则描述，假定一定的断裂能被裂纹面吸收用于裂纹扩展。断裂能通过裂纹处拉伸应力与裂纹开口位移来计算，具体为：

若公式

成立，则冰层断裂，其中为断裂能，为裂纹出拉伸应力，为裂纹开口位移，∫为积分运算符号，为微分运算符号。该模型假设断裂后的强度线性损失形式如图8所示，其三角形面积即断裂能。

当上述两个条件均满足时，则认为冰层发生断裂。

S42判断冰层与蒙皮界面是否脱粘。为了模拟冰层/蒙皮界面脱粘，并综合考虑冰层/蒙皮界面法向应力与剪切应力对界面脱粘的影响，具体方法为：

若公式

成立，则认为冰层与蒙皮界面脱粘；其中为冰层/蒙皮界面法向应力，为冰层/蒙皮界面层间剪切应力，为冰层/蒙皮界面法向粘附强度，为冰层/蒙皮界面剪切粘附强度，、分别为冰层/蒙皮界面法向粘附强度系数、冰层/蒙皮界面剪切粘附强度系数。

S43若冰层断裂或/和冰层与蒙皮界面脱粘则冰层脱落。

本发明同时考虑了冰层断裂和冰层与蒙皮界面脱粘两种情况，只有二者发生其一或者二者均放生，则认为冰层脱落。相对于现有仅考虑脱粘的仿真技术，本发明与实际情况更加吻合，因此仿真结果也更加的真实。

判定冰层脱落后，将发生冰层脱落的单元（即有限元模型中发生脱落的网格）进行删除，表明该区域的冰层已经脱落。

S5重复步骤S3-S4，直到到达预设的除冰仿真时间阈值。

删除掉失效的有限元模型单元后，基于有限元原理，对于每个时间增量，对剩余的单元重新建立并求解有限元动态平衡方程，然后重新判断冰层脱落，直到达到结束条件。

本实施例中仿真流程的结束条件有一个，即当前时间t小于总的除冰计算时间即80 ms。

为了验证本发明仿真结果的有效性，将本发明的仿真结果与实验经过进行比较，如图9a~图9d所示，其实验条件、结构几何尺寸、材料参数及脉冲载荷与有限元模型一致。

除冰实验表明，施加电脉冲载荷后，蒙皮表面绝大部分覆冰发生脱落，仅固支边界附近L形区域还附着有残余冰,如图9a所示9。图9b为本技术考虑冰层/蒙皮界面脱粘与冰层断裂的电脉冲防除冰计算结果，图9c、9d为两种仅考虑冰层/蒙皮界面脱粘仿真技术的计算结果。由图中实验与计算结果对比可以发现，无论是残留冰形貌局部特征还是残留冰覆盖面积，本发明除冰模型预测结果与除冰实验结果更加吻合，且显著优于现有仅考虑冰层/蒙皮界面脱粘仿真技术预测结果，表明本技术构建的冰脱落仿真方法更加合理，电脉冲除冰预测结果也更加准确。

此外，还对不同损伤理论模型下的冰脱落数值仿真结果进行了对比。其中，图10a为本发明中同时考虑冰层断裂与冰层/蒙皮界面脱粘的冰脱落计算结果，图10b为仅考虑冰层断裂的冰脱落计算结果，图10c为仅考虑冰层/蒙皮界面脱粘的冰脱落计算结果。由对比结果可以看出同时考虑冰层断裂与冰层/蒙皮界面脱粘的冰脱落计算能更精细化的反映冰脱落演化过程及最终形貌，其计算结果也更接近真实情况。综上，本发明提供的电脉冲除冰仿真方法更优。

另外如图11a和图11b所示，本发明还提供一种电脉冲除冰仿真系统，包括：

模型构建模块，用于构建除冰有限元基础模型，具体又包括:

几何模型构建模块，用于构建蒙皮及冰层的几何模型；

材料属性输入模块，用于输入蒙皮及冰层的材料属性；

网格化模块，用于将蒙皮及冰层的几何模型进行网格化；

边界条件设置模块，用于为蒙皮及冰层的几何模型设置边界条件。

电脉冲模拟模块，用于对有限元模型施加模拟电脉冲除冰载荷,具体又包括：

电脉冲发生模块，用于模拟电脉冲产生的冲击载荷施加在蒙皮中心区域；

参数设置模块，用于设置电脉冲最大冲击力、持续时间以及除冰总时间。

应力和应变计算模块，用于根据模拟电脉冲除冰载荷对有限元模型的冲击建立有限元方程，并求解出有限元模型承受的应力和发生的应变。

冰层脱落判断模块，用于通过有限元模型的承受的应力和发生的应变进行冰层脱落判断，并将发生冰层脱落的单元删除；所述冰层脱落判断模块包括冰层断裂判断模块和界面脱粘判断模块。

所述冰层脱落判断模块又包括：

初始裂纹判断模块，用于判断冰层是否出现裂纹，若公式

成立，则冰层出现裂纹，其中为冰层拉伸应力，为冰层断裂强度；

裂纹程度判断模块，用于判断裂纹是否达到使得冰层断裂的程度，若公式

成立，则冰层断裂，其中为断裂能，为裂纹出拉伸应力，为裂纹开口位移，∫为积分运算符号，为微分运算符号。

所述界面脱粘判断模块用于判断冰层与蒙皮界面是否脱粘，

若公式

成立，则界面脱粘；其中为冰层/蒙皮界面法向应力，为冰层/蒙皮界面层间剪切应力，为冰层/蒙皮界面法向粘附强度，为冰层/蒙皮界面剪切粘附强度，、分别为冰层/蒙皮界面法向粘附强度系数、冰层/蒙皮界面剪切粘附强度系数。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台计算机终端(可以是手机，计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种电脉冲除冰仿真方法，其特征在于包括：

S1构建除冰有限元基础模型，所述除冰有限元基础模型包括蒙皮以及冰层；

S2对所述除冰有限元基础模型施加模拟电脉冲除冰载荷；

S3建立有限元方程，并求解出在模拟电脉冲除冰载荷作用下冰层、冰层/蒙皮界面的应力和应变；

S4通过所述冰层的应力和应变、所述冰层/蒙皮界面的应力和应变进行冰层脱落判断，并将发生冰层脱落的单元删除；所述冰层脱落判断的方法包括：

判断所述冰层是否发生断裂；

判断所述冰层/蒙皮界面是否脱粘；

若判断出所述冰层发生断裂，或/和所述冰层/蒙皮界面发生脱粘，判定所述冰层发生脱落；

S5重复步骤S3-S4，直到达到预定的除冰仿真时间阈值。

2.根据权利要求1所述的一种电脉冲除冰仿真方法，其特征在于所述构建除冰有限元基础模型的方法包括：

构建蒙皮及冰层的几何模型；

输入蒙皮及冰层的材料属性；

将蒙皮及冰层的几何模型进行网格化；

为蒙皮及冰层的几何模型设置边界条件。

3.根据权利要求1所述的一种电脉冲除冰仿真方法，其特征在于对所述除冰有限元基础模型施加模拟电脉冲除冰载荷的方法包括：

模拟电脉冲产生的冲击载荷施加在蒙皮中心区域，设置电脉冲最大冲击力、持续时间、电脉冲载荷随时间的变化形式以及除冰仿真总时间。

4.根据权利要求1所述的一种电脉冲除冰仿真方法，其特征在于判断冰层是否发生断裂的方法包括：

判断冰层是否出现裂纹，若公式

成立，则判定冰层出现初始裂纹，其中为冰层拉伸应力，为冰层断裂强度；

判断裂纹是否扩展至冰层断裂的程度，若公式

成立，则判定冰层断裂，其中为断裂能，为裂纹处拉伸应力，为裂纹开口位移，∫为积分运算符号，为微分运算符号。

5.根据权利要求1所述的一种电脉冲除冰仿真方法，其特征在于判断冰层/蒙皮界面是否脱粘的方法包括：

若公式

成立，则判定冰层/蒙皮界面脱粘；其中为冰层/蒙皮界面法向应力，为冰层/蒙皮界面层间剪切应力，为冰层/蒙皮界面法向粘附强度，为冰层/蒙皮界面剪切粘附强度， 、分别为冰层/蒙皮界面法向粘附强度系数、冰层/蒙皮界面剪切粘附强度系数。

6.一种电脉冲除冰仿真系统，其特征在于包括：

模型构建模块，用于构建除冰有限元基础模型，所述除冰有限元基础模型包括蒙皮以及冰层；

电脉冲模拟模块，用于对有限元基础模型施加模拟电脉冲除冰载荷；

应力和应变计算模块，用于建立有限元方程，并求解在电脉冲除冰载荷作用下冰层、冰层/蒙皮界面的应力和应变；

冰层脱落判断模块，用于通过冰层、冰层/蒙皮界面的应力和应变进行冰层脱落判断，并将发生冰层脱落的单元删除；所述冰层脱落判断模块包括用于判断所述冰层是否断裂的冰层断裂判断模块，和用于判断冰层/蒙皮界面是否脱粘的冰层/蒙皮界面脱粘判断模块。

7.根据权利要求6所述的一种电脉冲除冰仿真系统，其特征在于所述模型构建模块包括：

几何模型构建模块，用于构建蒙皮及冰层的几何模型；

材料属性输入模块，用于输入蒙皮及冰层的材料属性；

网格划分模块，用于将蒙皮及冰层的几何模型进行网格化；

边界条件设置模块，用于为蒙皮及冰层的几何模型设置边界条件。

8.根据权利要求6所述的一种电脉冲除冰仿真系统，其特征在于所述电脉冲模拟模块包括：

电脉冲发生模块，用于模拟电脉冲产生的冲击载荷，并施加在蒙皮中心区域；

参数设置模块，用于设置电脉冲最大冲击力、持续时间、电脉冲载荷随时间变化形式以及除冰仿真总时间。

9.根据权利要求6所述的一种电脉冲除冰仿真系统，其特征在于所述冰层脱落判断模块包括：

初始裂纹判断模块，用于判断冰层是否出现初始裂纹，若公式

成立，则冰层出现初始裂纹，其中为冰层拉伸应力，为冰层断裂强度；

裂纹程度判断模块，用于判断裂纹是否达到使得冰层断裂的程度，若公式

成立，则冰层断裂，其中为断裂能，为裂纹出拉伸应力，为裂纹开口位移，∫为积分运算符号，为微分运算符号。

10.根据权利要求6所述的一种电脉冲除冰仿真系统，其特征在于：所述冰层/蒙皮界面脱粘判断模块用于判断冰层与蒙皮界面是否脱粘，

若公式

成立，则界面脱粘；其中为冰层/蒙皮界面法向应力，为冰层/蒙皮界面层间剪切应力， 为冰层/蒙皮界面法向粘附强度，为冰层/蒙皮界面剪切粘附强度，、分别为冰层/蒙皮界面法向粘附强度系数、冰层/蒙皮界面剪切粘附强度系数。

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