一种泡沫填充复材蜂窝芯机匣的低速冲击特性分析方法技术

本发明专利技术公开一种泡沫填充复材蜂窝芯机匣的低速冲击特性分析方法，包括：步骤1：建立泡沫填充复材蜂窝芯机匣的数学模型和坐标系，输入尺寸参数、材料参数和初始条件；步骤2：计算泡沫填充全复材蜂窝芯层的等效材料参数；步骤3：计算泡沫填充复材蜂窝芯机匣的位移方程；步骤4：基于计算等效材料参数和位移方程求解本构关系；步骤5：应用失效准则求解泡沫填充复材蜂窝芯机匣的低速冲击下特性。本发明专利技术分析方法可解决现有夹芯的结构航空发动机机匣抗冲击性能的分析与评价研究不足的问题。性能的分析与评价研究不足的问题。性能的分析与评价研究不足的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种泡沫填充复材蜂窝芯机匣的低速冲击特性分析方法


[0001]本专利技术属计算力学
，涉及一种泡沫填充复材蜂窝芯机匣的低速冲击特性分析方法。

技术介绍

[0002]复材蜂窝夹芯机匣结构具有质量轻、刚度高、抗冲击性强等优点，已成为航空发动机设计与制造商所青睐的高性能冷端部件的重要结构形式。但是，此类机匣结构在服役期间经常受到各种冲击载荷等恶劣的工作条件。往往导致结构强度和刚度的显著损失、分层、甚至结构损坏。通过引入填充泡沫材料以提高机匣结构抗冲击性能的方法，在国外已经收到初步应用，是一项极具应用前景的技术手段。
[0003]目前，人们虽然对机匣结构的冲击特性求解和分析进行了一定的研究，但依旧存在一些问题。实验测试法成本高，且受尺寸和冲击能量范围等因素的限制。有限元法计算成本低，但其具有黑箱操作，难以揭示物理机理，且计算效率低。中国专利CN201310195634.2基于CATIA二次开发平台，求解了航空发动机非包容失效导致的飞机灾难性事故的概率，但是并没有对机匣的失效模式和冲击特性进行分析。中国专利申请CN202011536091.2考虑了叶片偏移角度，评估了不同偏斜角对机匣包容性能的影响，但是没有求解其冲击响应。中国专利申请202111392762.7结合力学实验和非线性粘弹性本构方程，建立了三维各向异性弹塑性渐进损伤模型，获得了复材机匣包容过程中的失效行为，但是其求解精度受到实验结果的限制。中国专利申请CN202211256733.2通过LS
‑
DYNA有限元分析软件，建立了复合材料机匣的连续介质模型。但是该模型只用于指导复材机匣结构的包容性设计，并没有求解其抗冲击特性。除此之外，现有的一些解析方法建模比较简单，精度低，且不适用于复杂的夹芯板壳结构。中国专利申请CN201910816441.1、中国专利申请202111392767.X、中国专利申请202210321832.8和中国专利申请202310161004.7均提到了基于能量法的等经验公式的机匣结构设计方法。虽然经验公式可以为设计过程提供参考，但是不满足冲击特性求解的精度要求。中国专利CN202111541476.2建立了一种航空发动机波纹管低速冲击响应分析方法，但是其并没有考虑损伤对冲击响应的影响，因此只适用于冲击能量较低的情况。另外，李朋潮等(中国科学:技术科学,2023,1:81
‑
89)结合一阶剪切变形理论、冯卡门大变形理论，建立了复材圆柱壳低速冲击特性的解析模型。但是该方法只适用于薄壳结构，对与夹芯机匣结构的求解精度不高。
[0004]综上所述，上述专利和文献虽然针对机匣结构的抗冲击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，且在具有各向异性、层合性、非均匀性等特点的复合材料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，尤其对夹芯机匣结构冲击特性的研究鲜有报道，缺少相应的解析模型及分析、求解方法。为此，有必要对泡沫填充复材蜂窝芯机匣低速冲击特性进行系统性分析，积极推进其在我国高性能航空发动机上的应用。

技术实现思路

[0005]为解决上述技术问题，本专利技术的目的是提供一种泡沫填充复材蜂窝芯机匣的低速冲击特性分析方法，以解决现有夹芯的结构航空发动机机匣抗冲击性能的分析与评价研究不足的问题。
[0006]本专利技术的一种泡沫填充复材蜂窝芯机匣的低速冲击特性分析方法，包括：
[0007]步骤1：建立泡沫填充复材蜂窝芯机匣的数学模型和坐标系，输入尺寸参数、材料参数和初始条件；
[0008]步骤2：计算泡沫填充全复材蜂窝芯层的等效材料参数；
[0009]步骤3：计算泡沫填充复材蜂窝芯机匣的位移方程；
[0010]步骤4：基于计算的等效材料参数和位移方程求解本构关系；
[0011]步骤5：应用失效准则求解泡沫填充复材蜂窝芯机匣的低速冲击下特性。
[0012]本专利技术的一种泡沫填充复材蜂窝芯机匣的低速冲击特性分析方法，至少具有以下有益效果：
[0013]本专利技术的分析方法结合Hamilton等效理论和Gibson理论确定了泡沫填充全复材蜂窝芯层的等效材料特性。利用虚功原理和准静态的渐进损伤法方法，结合von Karman理论和高阶剪切变形壳理论求解了泡沫填充全复材蜂窝夹芯圆柱壳机匣结构冲击位移、载荷和冲击能量吸收。
附图说明
[0014]图1是本专利技术的一种泡沫填充复材蜂窝芯机匣的低速冲击特性分析方法流程图；
[0015]图2是本专利技术的泡沫填充复材蜂窝芯机匣的结构示意图；
[0016]图3a为未填充泡沫的全复材蜂窝夹芯圆柱壳机匣试件在15.35J冲击能量下的载荷位移曲线；
[0017]图3b为泡沫填充复材蜂窝芯机匣试件在15.35J冲击能量下的载荷位移曲线；
[0018]图3c为泡沫填充复材蜂窝芯机匣试件在30.70J冲击能量下的载荷位移曲线；
[0019]图3d为泡沫填充复材蜂窝芯机匣试件在46.06J冲击能量下的载荷位移曲线；
[0020]图4a为四个试件的最大冲击位移变化率示意图；
[0021]图4b为四个试件的最大冲击接触力变化率示意图；
[0022]图4c为四个试件的最大冲击能量吸收变化率示意图。
具体实施方式
[0023]下面将通过具体的实施示例对泡沫填充复材蜂窝芯机匣的低速冲击特性分析方法做进一步详细的表述。
[0024]如图1所示，本专利技术的一种泡沫填充复材蜂窝芯机匣的低速冲击特性分析方法，包括：
[0025]步骤1：建立泡沫填充复材蜂窝芯机匣的数学模型和坐标系，输入尺寸参数、材料参数和初始条件，具体为：
[0026]步骤1.1：如图2所示泡沫填充复材蜂窝芯机匣由2层纤维增强聚合物面板层和泡沫填充全复材蜂窝芯层构成，建立泡沫填充复材蜂窝芯机匣的模型，在机匣的中面建立柱
坐标系o
‑
x1x2z；设纤维材料纵向、横向和剪切方向的局部坐标分别表示为D1、D2和D3；D1方向与x1轴的夹角表示为β；
[0027]步骤1.2：输入泡沫填充复材蜂窝芯机匣的长度a、半径R、厚度h、总层数n、纤维增强聚合物面板层的厚度h
f
、泡沫填充全复材蜂窝芯层的厚度h
c
、各层纤维的角度β、蜂窝胞元的特征角a
c
、壁厚t
c
、边长l
c
、球头型圆柱弹体半径R1；
[0028]步骤1.3：输入制造全复材蜂窝芯的复合材料的剪切模量G
12
、泊松比υ
12
、密度ρ1以及在D1方向和D2方向的杨氏模量E1和E1；输入纤维增强聚合物面板层在D1方向和D2方向的杨氏模量E
p1
和E
p2
、在x1ox2面、x2oz面和x1oz面内的剪切模量G
p12
、G
p23
和G...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种泡沫填充复材蜂窝芯机匣的低速冲击特性分析方法，其特征在于，包括：步骤1：建立泡沫填充复材蜂窝芯机匣的数学模型和坐标系，输入尺寸参数、材料参数和初始条件；步骤2：计算泡沫填充全复材蜂窝芯层的等效材料参数；步骤3：计算泡沫填充复材蜂窝芯机匣的位移方程；步骤4：基于计算的等效材料参数和位移方程求解本构关系；步骤5：应用失效准则求解泡沫填充复材蜂窝芯机匣的低速冲击下特性。2.如权利要求1所述的泡沫填充复材蜂窝芯机匣的低速冲击特性分析方法，其特征在于，所述步骤1具体为：步骤1.1：泡沫填充复材蜂窝芯机匣由2层纤维增强聚合物面板层和泡沫填充全复材蜂窝芯层构成，建立泡沫填充复材蜂窝芯机匣的模型，在机匣的中面建立柱坐标系o
‑
x1x2z；设纤维材料纵向、横向和剪切方向的局部坐标分别表示为D1、D2和D3；D1方向与x1轴的夹角表示为β；步骤1.2：输入泡沫填充复材蜂窝芯机匣的长度a、半径R、厚度h、总层数n、纤维增强聚合物面板层的厚度h
f
、泡沫填充全复材蜂窝芯层的厚度h
c
、各层纤维的角度β、蜂窝胞元的特征角a
c
、壁厚t
c
、边长l
c
、球头型圆柱弹体半径R1；步骤1.3：输入制造全复材蜂窝芯的复合材料的剪切模量G
12
、泊松比υ
12
、密度ρ1以及在D1方向和D2方向的杨氏模量E1和E1；输入纤维增强聚合物面板层在D1方向和D2方向的杨氏模量E
p1
和E
p2
、在x1ox2面、x2oz面和x1oz面内的剪切模量G
p12
、G
p23
和G
p13
、泊松比υ
p12
和υ
p21
、在纵向的极限强度在横向的极限强度在D1‑
D2面内的剪极限强度输入泡沫材料的杨氏模量E
f
、剪切模量G
f
、泊松比密度ρ2、在拉伸方向上的极限应力在压缩方向上的极限应力和在剪切方向上的极限应力输入冲击用的球头型圆柱弹体的质量M等材料参数；步骤1.4：输入初始冲击速度V和冲击点坐标I
m
(a1,a2,z1)，采用渐近准静态法引入冲击失效事件q，定义冲击点I
m
接触区域处的最大位移为其中接触区域为以冲击中心为圆点半径为R1的区域，计算开始时，令q＝0，此时3.如权利要求2所述的泡沫填充复材蜂窝芯机匣的低速冲击特性分析方法，其特征在于，所述步骤2具体为：根据Hamilton等效理论，泡沫填充全复材蜂窝芯层的等效杨氏模量和泊松比表示为：和泊松比表示为：和泊松比表示为：和泊松比表示为：
式中，E
x1
和E
x2
分别为泡沫填充全复材蜂窝芯层在x1和x2方向上的等效杨氏模量；G
x12
、G
zx2
和G
zx1
分别表示芯层在x1ox2、x2oz和x1oz平面内的等效剪切模量；υ
x12
为为芯层在x1方向上的应力引起的x1方向与x2方向的泊松比，υ
x21
为x2方向上的应力引起的x1方向与x2方向的泊松比；A1(ξ)、A2(ξ)和A3(ξ)分别为单位体积泡沫材料在x2oz、x1oz和x1ox2平面上的有效面积；分别为无泡沫填充的复材蜂窝芯的x1和x2方向上的等效杨氏模量，分别为无泡沫填充的复材蜂窝芯的x1ox2、x2oz和x1oz平面内的等效杨氏模量和剪切模量；为无泡沫填充的复材蜂窝芯在x1方向上的应力引起的x1方向与x2方向的泊松比；为无泡沫填充的复材蜂窝芯在x2方向上的应力引起的x1方向与x2方向的泊松比；根据Gibson理论，和定义为：定义为：定义为：定义为：定义为：定义为：定义为：泡沫填充全复材蜂窝芯层的等效密度表示为：本步骤结束阶段，输出泡沫填充全复材蜂窝芯层在x1和x2方向上的等效杨氏模量E
x1
和
E
x2
；在x1ox2、x2oz和x1oz平面内的等效剪切模量G
x12
、G
zx2
和G
zx1
；泊松比υ
x12
和υ
x21
；密度ρ
c
。4.如权利要求2所述的泡沫填充复材蜂窝芯机匣的低速冲击特性分析方法，其特征在于，所述步骤3具体为：步骤3.1：基于高阶剪切壳理论，泡沫填充复材蜂窝芯机匣的位移场函数u、v和w为如下形式：形式：w(x1,x2,z,t)＝w0(x1,x2,t)式中，为形状特征参数；t为时间；u0、v0和w0分别为中面的位移分量；和分别为x1oz和x2oz面内的横向旋转变量；u0、v0、w0、和假设为如下形式：假设为如下形式：假设为如下形式：假设为如下形式：假设为如下形式：式中，A
mn
、B
mn
、C
mn
、D
mn
和E
mn
(m＝1,...,M；n＝1,...,N)为待定参数，M和N为截断系数；P(t)为随时间变化的函数；θ为圆心角；步骤3.2：泡沫填充复材蜂窝芯机匣受低速冲击时的控制微分方程表示为：N
x1
＝0＝0式中，Q
x1
为横向剪力；M<...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晖，李则霖，王相平，杜少辉，王绍明，曹航，张海洋，柏汉松，韩方军，宋洋，骆海涛，曹济川，戴智含，孙凯华，刘小川，邓奕辰，张政伟，孙占彬，周晋，李凯翔，张飞，孙伟，马辉，李鹤，罗忠，韩清凯，
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：