基于Tsai-Wu強度準則的某型飛機機翼層壓板翼面低速沖擊響應(yīng)仿真分析

田俊 劉吉 楊宗邦

摘要：為分析某型纖維增強復(fù)合材料層壓板翼面受到異物低速沖擊作用后的結(jié)構(gòu)力學性能，基于Tsai-Wu張量強度理論和非線性顯式動力學計算對復(fù)合材料翼面層壓板進行沖擊強度分析。建立了該型機翼的三維模型，根據(jù)復(fù)合材料力學理論建立了該機翼層壓板實體單元的有限元模型，基于Tsai-Wu張量強度準則和顯式動力學有限元方法對翼面進行沖擊力學分析，得出了沖擊作用下層壓板翼面結(jié)構(gòu)力學特性，為翼面針對性的損傷檢測定位分析提供了技術(shù)方法。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；顯式動力學；機翼

Keywords：composite；implicit dynamics；wing

0 引言

某型飛機機翼翼面為纖維增強復(fù)合材料層壓板結(jié)構(gòu)，在飛機起飛、降落過程中易受到石子、飛沙和冰雹等沖擊，維修過程中工具跌落也可能對復(fù)合材料翼面造成沖擊損傷。由于低速沖擊后復(fù)合材料翼面可能表觀正常，但層壓板內(nèi)部鋪層已發(fā)生損傷和破壞，因此需要對翼面結(jié)構(gòu)受力情況進行分析，評估層壓板結(jié)構(gòu)力學性能。本文結(jié)合復(fù)合材料力學原理和低速沖擊動力學計算方法，對層壓板翼面局部區(qū)域受低速沖擊進行有限元仿真，計算出翼面局部在沖擊作用下的層壓板翼面各層沿纖維方向主應(yīng)力分布，得到較危險層位置和主應(yīng)力大小，并計算不同初始沖擊速度作用下層壓板翼面主應(yīng)力分布規(guī)律，不僅進一步認識層壓板受低速沖擊作用的結(jié)構(gòu)力學響應(yīng)規(guī)律，而且為層壓板翼面針對性的檢測提供定位和指引。

1 復(fù)合材料強度分析原理 1.1 復(fù)合材料低速沖擊概述

2 仿真計算

2.1 建立有限元模型

2.2 計算結(jié)果分析及損傷評估

假設(shè)異物以相當于從2.5m高度處自由落體的初速度沖擊翼面，根據(jù)固有振動頻率的分析，采用5e-9作為質(zhì)量縮放時間增量進行計算，從計算結(jié)果可得：

1）在未發(fā)生沖擊損傷時，各層沿纖維方向最大主應(yīng)力沿上下兩側(cè)鋪層向中心鋪層逐漸減少，各層沿纖維方向最大主應(yīng)力與鋪層順序大致呈現(xiàn)U型分布，圖2為t=6.3e-4s時刻各層在纖維方向最大主應(yīng)力隨鋪層順序變化情況，因此應(yīng)重點關(guān)注臨近上下翼面的各纖維方向鋪層的沖擊損傷情況。

2）對比第1、2、3、4鋪層的各時刻沖擊的最大等效應(yīng)力可得，第1鋪層于t=7.35e-4s首先出現(xiàn)單元達到Tsai-Wu張量強度準則發(fā)生失效，如圖3所示；第2、3、4鋪層均于t=9.8e-4s時刻出現(xiàn)單元達到Tsai-Wu張量強度準則發(fā)生失效，如圖4至圖6所示。

2.3 不同初速度沖擊對比分析

當異物分別以相當于從1m、2m和3m高度自由落體的初速度與翼面碰撞時，根據(jù)計算結(jié)果分析可得：

1）同一鋪層首次發(fā)生損傷時的應(yīng)力狀態(tài)基本相同。對第1鋪層而言，當以不同初速度沖擊翼面時，該層首次出現(xiàn)失效前的纖維方向最大主應(yīng)力基本為570MPa。這說明相同材料、相同結(jié)構(gòu)在相同形式的載荷作用下結(jié)構(gòu)開始發(fā)生破壞的內(nèi)能基本接近。

2）同一鋪層首次發(fā)生損傷的時間不同，沖擊速度越大，發(fā)生損傷的時間越快。對第1鋪層而言，當異物以1m高度自由落體的初速度沖擊翼面后，它將在t=1.75e-2s時刻首次發(fā)生失效；當異物以2m高度自由落體的初速度沖擊翼面后，它將在t=9.45e-4s時刻首次發(fā)生失效；當異物以3m高度自由落體的初速度沖擊翼面后，它將在t=5.6e-4s時刻首次發(fā)生失效。

3 結(jié)論

本文基于復(fù)合材料力學原理和顯式動力學計算方法，對某型機纖維增強復(fù)合材料機翼層壓板受異物沖擊進行強度分析，模擬了翼面層壓板在沖擊過程的瞬態(tài)應(yīng)力變化過程，得到了沖擊過程中各鋪層在纖維方向上的主應(yīng)力分布，進一步了解復(fù)合材料翼面低速沖擊的應(yīng)力動態(tài)分布規(guī)律。結(jié)合TsaiWu張量強度準則，可得到受沖擊作用后復(fù)合材料翼面層壓板發(fā)生失效的鋪層順序和潛在損傷區(qū)域，認識層壓板受低速沖擊作用的結(jié)構(gòu)力學響應(yīng)規(guī)律，為針對性地檢測提供定位分析相關(guān)的技術(shù)支撐。

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