一种带有负泊松比蜂窝芯的复材圆柱壳机匣的高速冲击特性计算方法技术

本发明专利技术属于机械动力学技术领域，具体涉及一种带有负泊松比蜂窝芯的复材圆柱壳机匣的高速冲击特性计算方法。技术方案如下：获取复材圆柱壳机匣和弹丸的结构参数、材料参数以及迭代初始参数；建立所述复材圆柱壳机匣的解析动力学模型；对机匣的纤维/树脂复合材料蒙皮及负泊松比蜂窝芯应用不同的失效准则；根据解析动力学模型，求解机匣第l层破坏后的冲击速度、冲击时间和吸能特性；对解析动力学模型进行迭代计算并求解，获得所述机匣整体贯穿后的弹丸剩余速度和冲击时间。本发明专利技术在建立了复材圆柱壳机匣结构的位移场后，将材料参数进行了考虑应变率效应的修正，并将芯层等效为各向异性单层材料，然后基于赫兹接触定律、渐进损伤理论以及能量守恒定律求解高速冲击参数。理论以及能量守恒定律求解高速冲击参数。理论以及能量守恒定律求解高速冲击参数。

【技术实现步骤摘要】
一种带有负泊松比蜂窝芯的复材圆柱壳机匣的高速冲击特性计算方法


[0001]本专利技术属于机械动力学
，具体涉及一种带有负泊松比蜂窝芯的复材圆柱壳机匣的高速冲击特性计算方法。

技术介绍

[0002]纤维/树脂复合材料圆柱壳机匣与传统的金属机匣相比，具有良好的比强度、刚度、阻尼减振能力、冲击能量吸收能力和减重效果。近年来在航空发动机上得到了广泛应用，其服役过程中可能会受到碎片、鸟撞、冰雹、子弹等高速或超高速冲击，导致机匣强度降低、分层损伤、结构破坏和非包容性事故。
[0003]带有负泊松比蜂窝芯的复材圆柱壳机匣是近期的一种新颖的夹芯形式机匣，芯层制造简单且可以有效的降低机匣重量，纤维/树脂复合材料蒙皮可以有效的提升机匣力学性能。深入研究该结构的冲击动力学计算方法，对于其动态设计、故障诊断都有着重要的指导作用。然而，目前国内外研究在该方面投入较少，为此，有必要对带有负泊松比蜂窝芯的复材圆柱壳机匣结构在高速冲击下的动力学计算相关问题进行深入研究。
[0004]现有的对机匣冲击特性的计算方法大多针对金属机匣。专利CN201810199427.7建立了一种能绘制双层钛合金机匣包容曲线的有限元模型，求解了包容临界速度，类似的，专利CN201810088814.3也对双层无间隙金属机匣的弹道极限进行了有限元仿真，类似的，杨书仪等(P I Mech Eng G
‑
J Aer,2019,233(10):3635
‑
3648)对铝蜂窝夹层结构壳体机匣开展了仿真和实验研究，计算了单结构壳体、双层结构壳体和夹层结构壳体的叶片动能损失、壳体变形和壳体内能变化，但上述三种模型都仅适用于金属机匣，无法计算复杂的复合材料本构关系和失效模式。专利CN202011536091.2建立了叶片斜向冲击机匣的有限元模型，但仅对机匣包容区的载荷与最大变形进行了计算，未考虑侵彻情况下的机匣损伤。专利CN202111392767.X提供了一种剪切增稠浸渍凯夫拉包容机匣的设计方法，通过求解弹体剩余速度进一步求解了归一化的剪切速率，但仅考虑了剪切增稠液质量分数的影响，无法对复合材料进行三维应力求解，导致弹体剩余速度求解精度差。崔怀天等(中国民航大学,2022)建立了能考虑编织复合材料机匣本构关系和失效准则的有限元模型，然而与上述有限元仿真方法的专利一样，不能克服有限元软件计算成本高，计算效率低，黑箱操作的问题。专利CN202211256733.2提供了一种梯度层合结构树脂基复材机匣包容设计方法，基于最大应变失效准则对所建立的动力学仿真模型进行包容分析，但只能获得机匣失效模式而无法求解冲击特性参数。专利CN202210321832.8建立了基于吸能参数的加筋轻质机匣和双层机匣的包容性经验公式，求解了飞脱叶片的剩余动能，但仅考虑了树脂基复合材料的厚度影响，无法考虑实际破坏模式对吸能特性的影响。专利CN202210697077.3将机匣包容区简化为带有数个加强筋结构的靶面板，求解了平板条状叶片侵彻机匣后的残余速度与弹道极限，但仅适用于带有加强筋的金属靶板，且这种简化方式忽略了圆柱壳机匣的结构特性的影响，求解精度较差。
[0005]综上所示，上述专利和文献虽然针对机匣的包容问题开展了不同程度的数值与解析研究工作，绝大多数依托商用有限元软件，具有黑箱操作、难以揭示物理机理、计算时间长等缺点，且在复合材料圆柱壳机匣的解析动力学建模与分析研究方面还存在很大的不足，尤其对考虑结构特性、高速冲击应变率效应的夹芯复材圆柱壳机匣的吸能特性的研究没有报道，缺少相应的解析模型及分析、求解方法。因此，提供一种不依赖有限元软件的夹芯复材圆柱壳机匣高速冲击特性的解析计算方法具有重要的现实意义和广阔的应用前景。

技术实现思路

[0006]本专利技术提供一种带有负泊松比蜂窝芯的复材圆柱壳机匣的高速冲击特性计算方法，在建立了复材圆柱壳机匣结构的位移场后，将材料参数进行了考虑应变率效应的修正，并将芯层等效为各向异性单层材料，然后基于赫兹接触定律、渐进损伤理论以及能量守恒定律求解高速冲击参数，计算简单且精度高。
[0007]本专利技术的技术方案如下：
[0008]一种带有负泊松比蜂窝芯的复材圆柱壳机匣的高速冲击特性计算方法，包括以下步骤：
[0009]步骤1：获取带有负泊松比蜂窝芯的复材圆柱壳机匣和弹丸的结构参数、材料参数以及迭代初始参数；
[0010]步骤2：根据上述结构参数和材料参数，建立所述复材圆柱壳机匣的解析动力学模型；
[0011]步骤3：对机匣的纤维/树脂复合材料蒙皮及负泊松比蜂窝芯应用不同的失效准则；
[0012]步骤4：根据解析动力学模型，实现机匣第l层破坏后的冲击速度、冲击时间和吸能特性的求解；
[0013]步骤5：对解析动力学模型进行迭代计算并求解，获得所述机匣整体贯穿后的弹丸剩余速度和冲击时间；
[0014]步骤6：若失效不满足，则放大初始位移，使得初始位移＝初始位移+初始步长，重复执行步骤5；
[0015]步骤7：若初始步长不满足精度要求，则缩小初始步长，使得初始步长＝初始步长/2，复位初始位移，使得初始位移＝初始位移
‑
初始步长，重复执行步骤5；
[0016]步骤8：若应变率不满足高速冲击的精确计算要求，则根据步骤2对所述复材圆柱壳机匣的材料参数进行修正，重复步骤5。
[0017]进一步地，所述的带有负泊松比蜂窝芯的复材圆柱壳机匣的高速冲击特性计算方法，所述步骤1包括以下过程：
[0018]步骤1.1：在所述复材圆柱壳机匣上定义一个全局坐标系o
‑
xθz，位于结构的中面上；在纤维/树脂复合材料蒙皮上定义一个局部坐标系D1、D2、D3，分别是纤维/树脂复合材料蒙皮的三个材料主轴方向，θ
F
为D1方向与x轴之间的夹角；
[0019]步骤1.2：获取所述结构参数和材料参数，包括圆柱壳的总长度L，总厚度h，中面半径R，纤维/树脂复合材料蒙皮厚度h
F
，负泊松比蜂窝芯厚度h
C
，弹丸半径R
I
，冲击初速度V，负泊松比蜂窝芯胞元的斜边长度l
a
，水平边长度l
b
，水平边的厚度l
t
，倾斜角度Φ；
[0020]步骤1.3：获取迭代初始参数，包括初始层数l，初始位移设置w0，初始步长设置e，初始精度c，初始应变率ε
l
，初始应变率精度c
e
，初速度V0。
[0021]进一步地，所述的带有负泊松比蜂窝芯的复材圆柱壳机匣的高速冲击特性计算方法，所述步骤2包括以下过程：
[0022]步骤2.1：提出考虑应变率效应影响的模量修正公式：
[0023][0024][0025]其中，为修正的D2方向(即垂直于纤维方向)纤维/树脂复合材料蒙皮的弹性模量；为修正的D1D2平面纤维/树脂复合材料蒙皮的剪切模量；和为相应的准静态条件下的模量；E
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种带有负泊松比蜂窝芯的复材圆柱壳机匣的高速冲击特性计算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：获取带有负泊松比蜂窝芯的复材圆柱壳机匣和弹丸的结构参数、材料参数以及迭代初始参数；步骤2：根据上述结构参数和材料参数，建立所述复材圆柱壳机匣的解析动力学模型；步骤3：对机匣的纤维/树脂复合材料蒙皮及负泊松比蜂窝芯应用不同的失效准则；步骤4：根据解析动力学模型，实现机匣第l层破坏后的冲击速度、冲击时间和吸能特性的求解；步骤5：对解析动力学模型进行迭代计算并求解，获得所述机匣整体贯穿后的弹丸剩余速度和冲击时间；步骤6：若失效不满足，则放大初始位移，使得初始位移＝初始位移+初始步长，重复执行步骤5；步骤7：若初始步长不满足精度要求，则缩小初始步长，使得初始步长＝初始步长/2，复位初始位移，使得初始位移＝初始位移
‑
初始步长，重复执行步骤5；步骤8：若应变率不满足高速冲击的精确计算要求，则根据步骤2对所述复材圆柱壳机匣的材料参数进行修正，重复步骤5。2.根据权利要求1所述的带有负泊松比蜂窝芯的复材圆柱壳机匣的高速冲击特性计算方法，其特征在于，所述步骤1包括以下过程：步骤1.1：在所述复材圆柱壳机匣上定义一个全局坐标系o
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xθz，位于结构的中面上；在纤维/树脂复合材料蒙皮上定义一个局部坐标系D1、D2、D3，分别是纤维/树脂复合材料蒙皮的三个材料主轴方向，θ
F
为D1方向与x轴之间的夹角；步骤1.2：获取所述结构参数和材料参数，包括圆柱壳的总长度L，总厚度h，中面半径R，纤维/树脂复合材料蒙皮厚度h
F
，负泊松比蜂窝芯厚度h
C
，弹丸半径R
I
，冲击初速度V，负泊松比蜂窝芯胞元的斜边长度l
a
，水平边长度l
b
，水平边的厚度l
t
，倾斜角度Φ；步骤1.3：获取迭代初始参数，包括初始层数l，初始位移设置w0，初始步长设置e，初始精度c，初始应变率ε
l
，初始应变率精度c
e
，初速度V0。3.根据权利要求2所述的带有负泊松比蜂窝芯的复材圆柱壳机匣的高速冲击特性计算方法，其特征在于，所述步骤2包括以下过程：步骤2.1：提出考虑应变率效应影响的模量修正公式：步骤2.1：提出考虑应变率效应影响的模量修正公式：其中，为修正的D2方向(即垂直于纤维方向)纤维/树脂复合材料蒙皮的弹性模量；为修正的D1D2平面纤维/树脂复合材料蒙皮的剪切模量；和为相应的准静态条件下的模量；E
C
和G
C
为负泊松比蜂窝芯的弹性模量和剪切模量；E
Q
和G
Q
为准静态条件下的芯层模量；为应变率；A
D2
，A
D1D2
，A
E
，B
E
，C
E
，D
E
，A
G
，B
G
，C
G
和D
G
为拟合系数；P
D2
和P
D1D2
为拟合多项式；步骤2.2：确定所述复材圆柱壳机匣的本构关系；基于Reddy高阶剪切变形理论，构建所述复材圆柱壳机匣结构任一点的位移场，再根据
Love
‑
Kirchhoff假设，考虑Novozhilov非线性，定义所述复材圆柱壳机匣任意点的应变为：Kirchhoff假设，考虑Novozhilov非线性，定义所述复材圆柱壳机匣任意点的应变为：其中，u0，v0，w0为结构中面在x，θ，z方向上的位移；根据广义胡克定律，所述复材圆柱壳机匣在局部坐标系中的应力(σ
i
′
，τ
j
′
)
‑
应变(ε
i
′
，γ
j
′
)关系(i
′
＝D1,D2,D3,j
′
＝D2D3,D1D3,D1D2)确定为：＝D2D3,D1D3,D1D2)确定为：＝D2D3,D1D3,D1D2)确定为：＝D2D3,D1D3,D1D2)确定为：＝D2D3,D1D3,D1D2)确定为：其中，S和C分别表示纤维/树脂复合材料蒙皮和负泊松比蜂窝芯；和分别为相应方向或平面上的杨氏模量和剪切模量和泊松比；根据改进的Gibson理论，确定负泊松比蜂窝芯的等效模量和泊松比：比蜂窝芯的等效模量和泊松比：比蜂窝芯的等效模量和泊松比：比蜂窝芯的等效模量和泊松比：其中，a0和b0为结构系数：步骤2.3：确定所述复材圆柱壳机匣的剩余应力分配关系；所述复材圆柱壳机匣在全局坐标系中的第l层转换刚度矩阵表示为：
所述复材圆柱壳机匣在全局坐标系中的第l层的总偏轴应力的表达式为：其中，为考虑失效应力分配的第l层偏轴应力；h
(l)
是第l层的厚度；代表第l
‑
1层的总偏轴应力分量；K
mn
为结构的等效刚度，其表达式为：为结构的等效刚度，其表达式为：其中，和为结构的等效模量和泊松比，其表达式为：其表达式为：其表达式为：其表达式为：其中，为拉伸刚度系数；系数4.根据权利要求3所述的带有负泊松比蜂窝芯的复材圆柱壳机匣的高速冲击特性计算
方法，其特征在于，所述步骤3包括以下过程：所述纤维/树脂复合材料蒙皮，采用Hashin三维复合材料失效准则作为损伤起始的判据：纤维拉伸失效σ
D1

【专利技术属性】
技术研发人员：李晖，邓奕辰，王相平，曹航，宋洋，张海洋，柏汉松，肖正洋，李则霖，骆海涛，乔洲，孙占彬，李济楠，周勃，李慧，周晋，李凯翔，张飞，罗忠，马辉，孙伟，韩清凯，闻邦椿，
申请(专利权)人：中国航发沈阳发动机研究所，
类型：发明
国别省市：