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复合材料层板冰雹高速冲击损伤预测及失效分析

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北京航空航天大学学报 2022年第4期48卷 698-707页

作者：张超方鑫刘建春江苏大学机械工程学院镇江212013

针对冰雹冲击对复合材料结构安全造成的潜在风险,提出了一种基于连续介质损伤力学的非线性有限元模型,研究了碳纤维复合材料层板冰雹高速冲击力学行为。综合采用拉格朗日法和光滑粒子流体动力学(SPH)法对冰雹进行建模,引入水的状态方程... 详细信息

针对冰雹冲击对复合材料结构安全造成的潜在风险,提出了一种基于连续介质损伤力学的非线性有限元模型,研究了碳纤维复合材料层板冰雹高速冲击力学行为。综合采用拉格朗日法和光滑粒子流体动力学(SPH)法对冰雹进行建模,引入水的状态方程描述冰雹破碎后的流动特性;考虑应变率的单向复合材料本构模型,根据三维Hashin失效准则及材料刚度折减方案,进行复合材料层内损伤预测;引入界面单元结合双线性内聚力模型模拟层间分层现象;编写用户材料VUMAT子程序,实现基于ABAQUS/Explicit显式模块的数值求解。模拟了冰雹高速冲击复合材料层板的瞬态过程,分析了材料的损伤特性和失效机理。探讨了冰雹冲击速度、冲击角度对层板冲击损伤性能的影响,为复合材料结构冰雹冲击问题数值分析提供参考。

关键词：碳纤维复合材料冰雹冲击高速冲击损伤数值模拟

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冰雹冲击下塑料薄膜的损伤分析

农业工程学报 2022年第17期38卷 246-253页

作者：朱自强赵洪志蔡沅冶曲嘉哈尔滨工程大学航天与建筑工程学院哈尔滨150001

塑料薄膜的力学性能分析是薄膜结构设计的主要方向。该研究采用试验和数值模拟结合的方式分析了冰雹冲击下塑料薄膜的破坏形式和损伤规律,并通过试验结果验证了数值模拟方法的有效性。通过数值模拟对冰雹在不同尺寸、不同冲击角度下单... 详细信息

塑料薄膜的力学性能分析是薄膜结构设计的主要方向。该研究采用试验和数值模拟结合的方式分析了冰雹冲击下塑料薄膜的破坏形式和损伤规律,并通过试验结果验证了数值模拟方法的有效性。通过数值模拟对冰雹在不同尺寸、不同冲击角度下单次和二次冲击塑料薄膜进行了分析,此外对薄膜厚度和两层薄膜之间的间距的影响进行了分析。结果表明:1)0.12 mm厚度的塑料薄膜可抵挡直径10 mm以下的冰雹冲击。但冰雹尺寸在30 mm以上时,塑料薄膜因拉伸应力波的作用而发生破坏。2)冰球二次冲击塑料薄膜时会造成应力波的叠加,导致薄膜加速破坏。3)在0°、30°、60°这3种冲击角度下,冰球冲击角度为60°时造成薄膜的破坏面积最大。4)双层薄膜的破坏面积随薄膜之间的间距增大而增大,当双层薄膜的间距控制在5mm内可实现双层薄膜抗冰雹冲击效果优于厚度相同的单层薄膜。分析结果表明:改进薄膜结构的抗拉强度是提高薄膜抗冰雹冲击能力的主要方向。该研究可为薄膜结构设计和薄膜损伤分析提供参考。

关键词：力学性能冲击试验损伤分析冰雹冲击线性低密度聚乙烯塑料薄膜

伞形张拉膜结构在冰雹冲击作用下的动力响应研究

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振动与冲击 2021年第10期40卷 218-227页

作者：谢海兵刘长江王梦斐姜苏刘坚郑周练成都理工大学环境与土木工程学院成都610059 广州大学土木工程学院广州510006 广东省复杂钢结构工程技术研究中心广州510006 重庆大学土木工程学院重庆400044

以工程中常用的伞形张拉膜结构为研究对象,研究其在冰雹冲击作用下的动力响应问题。设计制作各种试验装置,通过对伞形膜结构的冰雹冲击试验,得到了冰雹冲击伞形膜结构不同测点的位移、速度以及边索的张拉松弛率。通过有限元软件ANSYS/LS... 详细信息

以工程中常用的伞形张拉膜结构为研究对象,研究其在冰雹冲击作用下的动力响应问题。设计制作各种试验装置,通过对伞形膜结构的冰雹冲击试验,得到了冰雹冲击伞形膜结构不同测点的位移、速度以及边索的张拉松弛率。通过有限元软件ANSYS/LS-DYNA模拟冰雹对伞形膜结构的冲击,并与试验数据对比分析,验证试验的可靠性与准确性。结果表明,冰雹冲击会造成伞形膜结构产生大变形,并加速应力松弛,甚至导致膜面撕裂破坏。该结果为研究群冰雹冲击动力响应打下基础,也为张拉膜结构的设计、施工和维护提出工程参考依据。

关键词：伞形张拉膜冰雹冲击动力响应数值模拟应力松弛

复合材料结构冰雹高速冲击行为研究及剩余强度预测

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复合材料结构冰雹高速冲击行为研究及剩余强度预测

作者：方鑫江苏大学

学位级别：硕士

碳纤维增强复合材料(Carbon fiber reinforced plastic,CFRP)具有比强度高、比模量大、可设计性强等优点,在航空航天、车辆、船舶工程等领域应用十分广泛,其中现代飞机机身及发动机叶片大量使用了纤维复合材料。飞机在飞行停靠期间会遇... 详细信息

碳纤维增强复合材料(Carbon fiber reinforced plastic,CFRP)具有比强度高、比模量大、可设计性强等优点,在航空航天、车辆、船舶工程等领域应用十分广泛,其中现代飞机机身及发动机叶片大量使用了纤维复合材料。飞机在飞行停靠期间会遇到冰雹这类高速软体冲事件,可能在复合材料内部产生层间分层、基体开裂等隐形损伤,会大大降低复合材料结构的力学性能,对飞机关键部位的承载非常危险,因此,深入研究复合材料结构冰雹高速冲击行为及冲击后剩余强度受到了学者们的广泛关注。本文采用非线性有限元方法,综合采用拉格朗日法和光滑粒子流体动力学法对冰雹进行建模,引入水的状态方程来描述冰雹的流动特征,引入考虑应变率的单向复合材料本构模型,根据三维Hashin失效准则及刚度折减方案,进行复合材料层内损伤识别,引入零厚度Cohesive单元结合双线性内聚力模型模拟层间损伤,编写用户材料VUMAT子程序,实现基于ABAQUS/Explicit的数值求解,主要研究内容和结论如下:首先建立了冰雹高速冲击CFRP层板有限元模型,对三种厚度层板在不同直径冰雹、不同速度下进行冲击模拟,实验数据和模拟结果基本一致。建立了CFRP层板损伤速度阈值预测模型,发现损伤阈值速度与层板厚度和冰雹直径的比值呈线性关系,为CFRP层板抗冰雹冲击尺寸设计提供了一定的基础。详细再现了冲击过程中冰雹和层板的力学行为,分析了层内和层间损伤演变特性,预测了冲击速度与分层面积间的关系;发现分层损伤在冲击初期阶段快速扩展,冲击速度超过一定值时,分层面积与冲击速度呈线性关系。其次,建立了冰雹高速冲击复合材料波纹夹芯结构有限元模型,得到了不同冲击工况下的数值结果,系统研究了梯形铝芯和矩形铝芯夹芯结构在不同冲击工况下的损伤行为、动态响应及能量吸收特性。发现顶部面板基体损伤是夹芯结构的初始损伤模式,在较高冲击能量下会出现铝芯塑性变形、面板与铝芯脱粘、顶部面板穿透这些严重的损伤,梯形夹芯结构比矩形结构更容易出现脱粘现象。对于节点冲击,顶部面板和铝芯吸收了大部分冲击能量,底部面板在冲击过程中主要起支撑作用,能量吸收不明显。最后,建立了从冰雹冲击到冲击后压缩破坏的有限元模型来预测不同厚度CFRP层板不同冲击能量下的剩余强度,分析了层板压缩过程中损伤演化特性,研究了剩余强度与损伤面积间的定量关系。发现CFRP层板剩余强度与基体损伤面积具有直接相关性,当冲击能量超过900 J后,基体损伤面积几乎不再增加,剩余强度不再降低,900 J冲击能量可以作为一个阈值来评估其损伤容限。在压缩前期,层板损伤几乎无扩展,在失效载荷附近损伤快速扩展,最终压缩破坏模式为贯穿层板宽度和厚度方向的截断式破坏。

关键词：碳纤维复合材料冰雹冲击损伤特性剩余强度有限元模型

复合材料层板冰雹高速冲击损伤预测及失效机理分析

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北京航空航天大学学报 2021年

作者：张超方鑫刘建春江苏大学机械工程学院

提出了一种基于连续介质损伤力学的非线性有限元模型，研究了碳纤维复合材料层板冰雹高速冲击力学行为。综合采用拉格朗日法和光滑粒子流体动力学法对冰雹进行建模，引入水的状态方程描述冰雹破碎后的流动特性；引入考虑应变率的单向复... 详细信息

提出了一种基于连续介质损伤力学的非线性有限元模型，研究了碳纤维复合材料层板冰雹高速冲击力学行为。综合采用拉格朗日法和光滑粒子流体动力学法对冰雹进行建模，引入水的状态方程描述冰雹破碎后的流动特性；引入考虑应变率的单向复合材料本构模型，根据三维Hashin失效准则及材料刚度折减方案，进行复合材料层内损伤预测；引入界面单元结合双线性内聚力模型模拟层间分层现象；编写用户材料VUMAT子程序，实现基于ABAQUS/Explicit显式模块的数值求解。模拟了冰雹高速冲击复合材料层板的瞬态过程，分析了材料的损伤特性和失效机理。探讨了冰雹冲击速度、冲击角度对层板冲击损伤性能的影响，为复合材料结构冰雹冲击问题数值分析提供了一定的参考。

关键词：碳纤维复合材料冰雹冲击高速冲击损伤数值模拟

典型航空器结构抗冰雹、仿真鸟弹冲击特性及其对比研究

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振动与冲击 2021年第18期40卷 307-314页

作者：张宇王彬文白春玉刘小川郭军中国飞机强度研究所结构冲击动力学航空科技重点实验室西安710065

为研究典型航空水平安定面和机翼前缘结构抗冰雹和仿真鸟弹冲击特性,通过D80空气炮系统开展相关试验,研究弹体速度和结构类型对抗冰雹、仿真鸟弹冲击特性的影响,并基于经验证的有限元模型,开展机翼前缘结构抗等动能冰雹、仿真鸟弹冲击... 详细信息

为研究典型航空水平安定面和机翼前缘结构抗冰雹和仿真鸟弹冲击特性,通过D80空气炮系统开展相关试验,研究弹体速度和结构类型对抗冰雹、仿真鸟弹冲击特性的影响,并基于经验证的有限元模型,开展机翼前缘结构抗等动能冰雹、仿真鸟弹冲击对比研究。结果表明:随着弹动能的增加,撞击凹坑深度及塑性变形区域越大,且远远大于弹的直径;撞击后不同规格机翼前缘结构变形趋势一致,但前缘曲率越大,凹坑深度及塑性变形区域越大;在等动能弹冲击下,仿真鸟弹和冰雹在典型航空器结构上形成的凹坑形式及撞击力-时间曲线趋势是一致的,但仿真鸟弹撞击凹坑尺寸及撞击力载荷峰值更大。因此,同等条件下仿真鸟弹的威胁性更大,结构设计中需作为主要考虑因素。

关键词：机翼前缘结构水平安定面结构冰雹冲击仿真鸟弹冲击特性

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房车空调顶盖抗冰雹冲击动力响应研究

家电科技 2023年第S01期 332-335页

作者：俞树文张永召赵帅金跃迁广东美的制冷设备有限公司广东佛山528311

为解决房车空调顶盖的抗冰雹冲击问题,建立了房车空调顶盖和冰雹的有限元模型,论证了使用有限元方法进行模拟冰雹冲击方法可行且结果可信,使用LS-DYNA软件,综合房车行驶速度、冰雹自由落体速度、冰雹和顶盖自身机械性能等因素影响,通过... 详细信息

为解决房车空调顶盖的抗冰雹冲击问题,建立了房车空调顶盖和冰雹的有限元模型,论证了使用有限元方法进行模拟冰雹冲击方法可行且结果可信,使用LS-DYNA软件,综合房车行驶速度、冰雹自由落体速度、冰雹和顶盖自身机械性能等因素影响,通过仿真分析研究,给出了不同冲击点位置下的响应,应力极大值出现在冲击点区域,两个冲击位置及两个车辆速度下冲击点最大应力为21.02 MPa,小于材料的屈服强度,不会产生塑性应变,房车空调顶盖结构安全,满足设计要求。

关键词：房车空调冰雹冲击动力响应仿真分析

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鞍形膜结构在冰雹冲击作用下的动力响应研究

鞍形膜结构在冰雹冲击作用下的动力响应研究

作者：杨少朋成都理工大学

学位级别：硕士

膜结构作为一种新型空间结构形式,由于其优越的建筑特性、卓越的结构特性和适宜的经济性,被广泛地应用于体育场、展览会场、火（汽）车站等大跨度空间结构中。由于膜结构轻质大跨的特性,使得膜结构对外荷载的作用十分敏感,易发生较大的... 详细信息

膜结构作为一种新型空间结构形式,由于其优越的建筑特性、卓越的结构特性和适宜的经济性,被广泛地应用于体育场、展览会场、火（汽）车站等大跨度空间结构中。由于膜结构轻质大跨的特性,使得膜结构对外荷载的作用十分敏感,易发生较大的振动变形,而在膜结构使用过程中这种较大的振动变形是应该尽量避免的,但目前关于膜结构的设计理论还处于逐渐积累完善阶段。本文研究鞍形膜结构在冰雹冲击荷载作用下的动力响应,为膜结构设计理论中合理考虑冰雹冲击荷载的不利影响提供理论依据,另外,膜结构动力响应的一般规律应用于指导膜结构的施工和维护,在保证膜结构的正常使用,延长膜结构的使用寿命,防止或减少膜结构工程事故的发生等方面,也具有较大的工程实践意义。本论文主要对典型的四点鞍形膜结构在冰雹冲击荷载作用下的动力响应进行了数值模拟和试验研究。首先利用有限元分析软件ANSYS对膜面进行找形分析得到鞍形膜面的初始形态;然后利用LS-DYNA显式动力分析程序对冰雹冲击膜面的复杂力学过程进行瞬态动力分析;此外,还设计并实施了冰雹冲击鞍形膜结构的试验研究,验证了数值模拟的可靠度。本文的具体研究内容如下:（1）利用ANSYS有限元分析软件创建鞍形膜结构平面投影几何模型,通过降温法为膜面施加初始预张力,通过初应变形式施加边索拉力,综合利用小弹性模量曲面自平衡迭代法和支座位移提升法进行找形分析,得到鞍形膜结构的初始形态。（2）利用LS-DYNA显式动力分析程序的隐式-显式顺序求解功能,将用于模拟冰雹的小球设置为刚体并施加初速度,同时定义小球和膜面之间的接触为面面自动接触,对冰雹冲击膜面的动态冲击过程进行求解,并利用LS-PROPOST后处理程序对计算结果进行后处理,得到膜面位移、速度、加速度等动力响应参数。（3）基于设计的鞍形膜结构张拉装置,进行冰雹冲击鞍形膜结构的试验研究,试验中,使用非接触式激光位移传感器记录膜面特征点的动力响应过程,将试验结果同数值模拟结果进行对比分析,验证了数值模拟结果的可靠性。

关键词：鞍形膜结构冰雹冲击动力响应数值模拟试验研究

复合冰雹冲击作用下膜结构动力响应试验和数值模拟研究

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复合冰雹冲击作用下膜结构动力响应试验和数值模拟研究