复合材料薄壁结构冲击导波响应的数值仿真方法技术

本申请公开了一种复合材料薄壁结构冲击导波响应的数值仿真方法，包括步骤：构建几何模型；对模型进行网格划分；为模型各部分赋予材料属性；设置冲击边界条件；设置各部分的相互作用；设置分析步及输出；提交计算。该方法考虑压电效应和材料阻尼特性，通过有限元软件模拟复合材料薄壁结构在冲击作用下的导波响应，可用于揭示复合材料薄壁结构的冲击导波响应机制及其影响因素，对基于压电传感器的复合材料结构冲击监测技术的发展具有推动作用。料结构冲击监测技术的发展具有推动作用。料结构冲击监测技术的发展具有推动作用。

【技术实现步骤摘要】
复合材料薄壁结构冲击导波响应的数值仿真方法


[0001]本专利技术属于结构健康监测领域，涉及一种复合材料薄壁结构冲击导波响应的数值仿真方法。

技术介绍

[0002]碳纤维复合材料由于其比强度、比刚度优于传统金属材料，可设计性强且抗疲劳性能优异，已经在航空、航天、轨道交通、风电等领域得到广泛应用。但复合材料在抗冲击性能方面存在天然缺陷，由于其层合结构特性，当受到外物冲击作用时容易出现分层损伤。分层损伤会显著降低结构的力学性能，例如维护过程中工具跌落引起的分层损伤最大会使结构的压缩强度降低40％，而又具有目视不可见的特点。因此，对分层损伤的萌生和扩展过程进行严格监控，是保障结构安全的关键。
[0003]基于压电传感器的冲击被动式监测技术是一种在线的监测技术。通过在结构表面布设一定数量的压电传感器网络，当冲击事件发生时获取压电传感器由于压电效应产生的电压信号，然后对信号进行特征提取，并结合特定的算法来预测冲击位置和冲击能量的大小，从而为复合材料结构的健康维护提供支撑。为了保证监测可靠性，基于压电传感器的冲击被动监测技术通常需要通过大量试验数据来进行验证。但碳纤维复合材料结构往往价值不菲，冲击造成损伤后难以重复利用，试验成本巨大。此外，试验只能获取结构受到冲击造成的导波响应信号，无法从原理上揭示冲击作用下复合材料结构内导波响应的产生机理和影响因素，从而不利于对复合材料结构冲击导波信号的深入理解，制约了复合材料结构冲击监测技术的理论研究和工程应用。为克服这一困难，有必要发展具有高保真度的复合材料结构冲击导波响应的数值仿真技术。

技术实现思路

[0004]本申请的目的在于为了至少解决上述现有技术存在的问题中的一种，提出一种具有高保真度的复合材料结构冲击导波响应的数值仿真方法、装置和/或系统。
[0005]为此，本申请的一些实施例提供了一种复合材料薄壁结构冲击导波响应的数值仿真方法，该方法包括步骤：建立几何模型，所述几何模型包括复合材料薄壁结构模型部分、包括多个压电传感器模型部分的压电传感器阵列模型部分、冲击物模型部分；其中，所述压电传感器阵列模型部分中的压电传感器模型部分均匀分布在所述复合材料薄壁结构模型部分的表面；每个所述压电传感器模型部分与所述复合材料薄壁结构模型部分之间设有一层胶层模型部分；对所述几何模型的所述各模型部分划分有限元网格，包括将所述复合材料薄壁结构模型部分的网格单元设置为三维实体或壳单元，将所述冲击物模型部分的网格单元设置为三维实体单元，将每个所述压电传感器模型部分的网格单元设置为压电单元；为所述复合材料薄壁结构模型部分定义材料方向，赋予其正交各向异性材料属性；为胶层模型部分和冲击物模型部分均赋予相应的线弹性各向同性材料属性；为所述压电传感器模型部分赋予压电材料的参数；设定所述复合材料薄壁结构模型部分的边界条件，以及通过
对冲击物模型部分施加一定的初速度来模拟冲击过程；为所述压电传感器模型部分与所述复合材料薄壁结构模型部分之间设置绑定约束，所述冲击物模型部分与所述复合材料薄壁结构模型部分之间设置接触作用，并引入合适的摩擦系数；采用隐式动力学分析步，其中，根据所需的采样频率设置时间步长，将每个所述压电传感器模型部分上表面的节点设置为监测点输出其对所述冲击过程的电压响应；以及基于每个所述监测点输出的电压响应计算获得每个所述压电传感器模型部分上表面所有节点的电压信号，取一个所述压电传感器模型部分的所有节点的电压信号的平均值得到该压电传感器模型部分的平均电压信号。
[0006]在一些实施例中，所述复合材料薄壁结构模型部分为平板或加筋壁板，其构型和几何尺寸根据实际需求而定；所述压电传感器阵列模型部分由若干个相同的压电传感器模型部分按规则排列而成；所述冲击物模型部分的形状和尺寸按实际情况确定。
[0007]在一些实施例中，所述复合材料薄壁结构模型部分的网格单元的尺寸根据冲击应力波的波长而定，所述压电传感器模型部分的网格单元在厚度方向进行细化。
[0008]在一些实施例中，所述复合材料薄壁结构模型部分的网格单元的尺寸设置为在最小波长上布置十个网格节点。
[0009]在一些实施例中，将所述压电传感器模型部分的下表面的电势设为零。
[0010]在一些实施例中，所述边界条件包括固支或铰支边界条件。
[0011]在一些实施例中，对所述压电传感器模型部分赋予压电材料的参数包括赋予弹性常数、压电常数和介电常数，以使它们之间满足压电效应方程。
[0012]在一些实施例中，在所述复合材料模型部分和所述胶层模型部分中引入阻尼用于模拟能量耗散。
[0013]在一些实施例中，对所述复合材料薄壁结构模型部分和所述胶层模型部分设置瑞利阻尼来模拟其在冲击过程的能量衰减行为；求解阻尼系数以用于有限元软件分析。
[0014]根据本专利技术提供的复合材料薄壁结构冲击导波响应的数值仿真方法，得到的有益效果包括以下效果中的至少之一：通过构建基于压电传感器的复合材料薄壁结构冲击监测数值仿真模型，模拟复合材料薄壁结构在不同冲击条件下的导波响应信号，一方面，可以大大减少复合材料结构冲击试验的时间和成本；更重要的是，数值方法不受传感器生产工艺、环境等因素的影响，更有利于揭示结构冲击的导波响应机制及其影响因素。
附图说明
[0015]图1a为基于压电传感器的复合材料薄壁结构冲击监测数值仿真模型示意图；
[0016]图1b为图1a中的A部的放大侧视图；
[0017]图2为压电传感器的压电效应示意图；
[0018]图3为瑞利阻尼中结构固有角频率与阻尼比关系曲线示意图；
[0019]图4为基于压电传感器的复合材料加筋壁板冲击监测示意图；
[0020]图5为仿真与实验中第五号传感器的时域信号归一化幅值对比图；
[0021]图6为仿真与实验中第五号传感器时域信号的归一化均方根序列对比图；
[0022]图7为仿真与实验中所有传感器时域特征
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波达时刻的对比图；
[0023]图8为仿真与实验中第五号传感器信号频域特征对比图；
[0024]图9a和图9b分别为仿真与实验中第五号传感器信号的时频谱图。
具体实施方式
[0025]为使本专利技术的技术方案和优点更加清楚，下面结合附图，对本专利技术的技术方案进行清楚完整的描述。
[0026]步骤一：在有限元软件Abaqus中构建复合材料薄壁结构冲击监测几何模型。
[0027]该步骤具体包括：如图1a、图1b所示是基于压电传感器监测复合材料薄壁结构冲击导波响应的几何模型，包含复合材料薄壁结构10、压电传感器阵列20和冲击物30。其中复合材料薄壁结构模型部分可以为平板或加筋壁板，其构型和几何尺寸根据实际需求而定；压电传感器阵列模型部分由若干个相同的压电传感器模型部分按一定规则排列而成，均匀分布在薄壁结构模型部分的表面；如图1b所示，为了模拟实际的传感器粘接条件，在压电传感器模型部分与薄壁结构模型部分之间增加一层胶层40；冲击物模型部分的形状和尺寸按本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复合材料薄壁结构冲击导波响应的数值仿真方法，其特征在于：该方法包括步骤：建立几何模型，所述几何模型包括复合材料薄壁结构模型部分、包括多个压电传感器模型部分的压电传感器阵列模型部分、冲击物模型部分；其中，所述压电传感器阵列模型部分中的压电传感器模型部分均匀分布在所述复合材料薄壁结构模型部分的表面；每个所述压电传感器模型部分与所述复合材料薄壁结构模型部分之间设有一层胶层模型部分；对所述几何模型的所述各模型部分划分有限元网格，包括将所述复合材料薄壁结构模型部分的网格单元设置为三维实体或壳单元，将所述冲击物模型部分的网格单元设置为三维实体单元，将每个所述压电传感器模型部分的网格单元设置为压电单元；为所述复合材料薄壁结构模型部分定义材料方向，赋予其正交各向异性材料属性；为胶层模型部分和冲击物模型部分均赋予相应的线弹性各向同性材料属性；为所述压电传感器模型部分赋予压电材料的参数；设定所述复合材料薄壁结构模型部分的边界条件，以及通过对冲击物模型部分施加一定的初速度来模拟冲击过程；为所述压电传感器模型部分与所述复合材料薄壁结构模型部分之间设置绑定约束，所述冲击物模型部分与所述复合材料薄壁结构模型部分之间设置接触作用，并引入合适的摩擦系数；采用隐式动力学分析步，其中，根据所需的采样频率设置时间步长，将每个所述压电传感器模型部分上表面的节点设置为监测点输出其对所述冲击过程的电压响应；以及基于每个所述监测点输出的电压响应计算获得每个所述压电传感器模型部分上表面所有节点的电压信号，取一个所述压电传感器模型部分的所有节点的电压信号的平均值得到该压电传感器模型部分的平均电压信号。2.根据权利要求1所述的复合材料薄壁结构冲击导波响应的数值仿真方法，其特征在于：所述复合材料薄壁结构模型部分为平板或加筋壁板，其构型和几何尺寸根据实际需求而定；所述压电传感器阵列模型部分由若干个相同的压电传感器模型部分按规则排列而成；所述冲击物模型部分的形状和尺寸按实际情况确定。3.根据权利要求1所述的复合材料薄壁结构冲击导波响应的数值仿真方法，其特征在于：所述复合材料薄壁结构模型部分的网格单元的尺寸根据冲击应力波的波长而定，所述压电传感器模型部分的网格单元在厚度方向进行细化。4.根据权利要求3所述的复合材料薄壁结构冲击导波响应的数值仿真方法，其特征在于：所述复合材料薄壁结构模型部分的...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨雷，邓德双，马书义，杨正岩，武湛君，
申请(专利权)人：大连君晟科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：