一种铝合金薄板低速冲击凹坑深度的预测方法

本发明涉及金属结构冲击损伤评估，尤其涉及一种铝合金薄板低速冲击凹坑深度的预测方法。

背景技术：

1、铝合金材料由于具有高比强度和易于加工的特性，在航空方面一直是飞机机体结构的主要用材。航空飞机在工程运营中容易遭受大量的低速冲击事件（如工具坠落、碎片冲击、鸟撞），导致铝合金机体结构产生永久性的凹坑变形，显著地降低了其静强度和疲劳性能。目前在航空工程领域，飞机机体结构大多采用铝合金薄板结构，厚度一般约0.2 mm~4mm。可靠地评估低速冲击载荷对铝合金薄板永久性凹坑变形的影响，将为飞机铝合金结构冲击凹坑损伤容限性能提供重要依据。目前的飞机铝合金结构冲击凹坑损伤评估中无法准确地预测铝合金薄板低速冲击凹坑深度。

2、因此，本技术人研发出一种铝合金薄板低速冲击凹坑深度的预测方法来解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明提出一种铝合金薄板低速冲击凹坑深度的预测方法，以解决现有飞机铝合金结构冲击凹坑损伤评估中无法准确地预测铝合金薄板低速冲击凹坑深度的问题。

2、本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

3、一种铝合金薄板低速冲击凹坑深度的预测方法，包括：

4、设置假设条件，所述假设条件包括：假设铝合金薄板对应变率不敏感、假设所述铝合金薄板性能为理想刚塑性、假设所述铝合金薄板的外载荷功率全部转化成塑性耗散功率、假设所述铝合金薄板的初始冲击能量完全被塑性失效机构耗散、假设铝合金薄板的低速冲击问题简化成一个周边固支铝合金圆板中心受到载荷作用的准静态问题；

5、根据小变形假设和所述假设条件构建所述铝合金圆板在荷载作用下的塑性失效机构，将所述塑性失效机构分割为若干个扇形刚性板块，各所述扇形刚性板块之间以射线状的塑性铰线链接，各所述扇形刚性板块的角速度大小相同且方向分别沿着所述扇形刚性板块的圆弧边；

6、获取第一信息，所述第一信息包括各所述扇形刚性板块的圆弧长度、相邻两个所述扇形刚性板块之间的相对角速度、所述铝合金圆板的结构参数；

7、根据所述第一信息，基于简支边界条件和固支边界条件，构建所述铝合金圆板只考虑弯矩的塑性耗散功率模型；

8、根据所述塑性耗散功率模型，基于能量守恒方程，构建铝合金薄板冲击凹坑深度预测模型；

9、获取第二信息，所述第二信息包括实际的冲击载荷数据以及铝合金薄板的结构参数；

10、将所述第二信息输入所述分析模型，输出铝合金薄板低速冲击凹坑深度。

11、具体地，获取第一信息，包括：

12、获取所述铝合金圆板的结构参数，所述结构参数包括所述铝合金圆板的半径和厚度；

13、根据所述扇形刚性板块的塑性铰线长度和所述扇形刚性板块的数量计算所述扇形刚性板块的圆弧长度，所述塑性铰线长度为所述铝合金圆板的半径；

14、根据所述扇形刚性板块的角速度和所述扇形刚性板块的数量计算相邻两个所述扇形刚性板块之间的相对角速度。

15、具体地，所述圆弧长度和所述相对角速度的计算公式如下：

16、所述圆弧长度的计算公式：

17、                            （1）

18、所述相对角速度的计算公式：

19、                        （2）

20、为所述扇形刚性板块的圆弧长度，为所述塑性铰线长度，为所述扇形刚性板块的数量，为所述相对角速度，为所述扇形刚性板块的角速度。

21、具体地，根据所述第一信息，基于简支边界条件和固支边界条件，构建所述铝合金圆板只考虑弯矩的塑性耗散功率模型，包括：

22、在简支边界条件（b=1）下，只考虑弯矩的塑性耗散功率的计算公式为：

23、                     （3）

24、在固支边界条件下（b=2）下，只考虑弯矩的塑性耗散功率计算公式为：

25、（4）

26、                            （5）

27、当时，可以得到所述铝合金圆板只考虑弯矩的塑性耗散功率模型，其公式为：

28、                 （6）

29、其中，为所述铝合金圆板单位宽度上的塑性极限弯矩，为所述铝合金圆板的厚度，为所述铝合金圆板的屈服应力，b=1代指简支边界条件，b=2代指固支边界条件。

30、具体地，根据所述塑性耗散功率模型，基于能量守恒方程，构建铝合金薄板冲击凹坑深度预测模型，包括：

31、计算所述铝合金圆板的外载荷的功率为

32、                             （7）

33、忽略摩擦引起的能量消耗，由能量平衡条件可知，所述铝合金圆板的外载荷功率全部转化成塑性耗散功率，即

34、                              （8）

35、将式（6）和（7）代入式（8），可得只考虑弯矩导致的塑性耗散情况下的外载荷为：

36、                          （9）

37、当所述铝合金薄板冲击凹坑深度达到时，消耗的能量为：

38、                          （10）

39、则所述铝合金圆板考虑弯矩和膜力共同作用的塑性耗散功率为：

40、                            （11）

41、式中，为膜力因子，只依赖于所述铝合金圆板的边界条件和变形过程中的无量纲挠度：

42、                                （12）

43、对于周边简支和固支的所述铝合金圆板，出膜力因子为：

44、                  （13-a）

45、                    （13-b）

46、将式（7）、式（11）代入能量平衡方程可得考虑弯矩和膜力共同作用导致塑性耗散的外载荷为：

47、                       （14）

48、因此，当所述铝合金薄板冲击凹坑深度达到时，消耗的能量为：

49、                          （15）

50、将式（12）和（13）代入式（15），可得所述铝合金薄板冲击凹坑深度达到时，消耗的能量为：

51、（16a）

52、  （16b）

53、假定在冲击过程中，初始冲击能量完全被塑性失效机构耗散，则有：

54、                              （17）

55、式中，为初始冲击能量；

56、联合式（16）和（17），即可求解出所述铝合金圆板承受冲击载荷后的中心无量纲挠度，在固支边界条件下（b=1）下，无量纲挠度显示表达式为：

57、                 （18）

58、将式（5）和式（12）代入式（18），可得在固支边界条件下（b=2）下，预测铝合金薄板冲击凹坑深度的铝合金薄板冲击凹坑深度预测模型的显示表达式：

59、                 （19）。

60、本发明的有益效果在于：

61、本发明提出的铝合金薄板低速冲击凹坑深度的预测方法解决了现有飞机铝合金结构冲击凹坑损伤评估中无法准确地预测铝合金薄板低速冲击凹坑深度的问题，具有简便、实用、预测准确的优点，并且具有重要工程应用价值，尤其是对于飞机铝合金薄板构件冲击后凹坑深度预测和结构维修具有重要价值。