直升機(jī)槳葉不可見(jiàn)沖擊損傷模型仿真

奚佳凱，李建偉

(1.中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001;2.陸航駐景德鎮(zhèn)地區(qū)軍事代表室，江西 景德鎮(zhèn) 333002)

0 引言

復(fù)合材料具有比強(qiáng)度、比剛度高，可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，抗疲勞性能好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天技術(shù)、空間技術(shù)、武器裝備技術(shù)、能源工程、海洋工程、生物工程乃至民用建筑和交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。目前，先進(jìn)復(fù)合材料在已成為現(xiàn)代航空航天重要的、不可缺少的材料之一。復(fù)合材料在高度輕量化直升機(jī)上的用量已達(dá)到結(jié)構(gòu)重量的70%～80%，在先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)上的用量大約是結(jié)構(gòu)重量的30%～40%。在戰(zhàn)斗機(jī)中，復(fù)合材料取代了部分傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料，以減輕飛機(jī)重量，提高其戰(zhàn)斗性能和并改善其氣動(dòng)特性。

復(fù)合材料在成型和使用的過(guò)程中，不可避免地經(jīng)常受到外物的沖擊， 造成不同程度的損傷，如制造過(guò)程中的機(jī)械碰撞，維修過(guò)程中的工具墜落等。有些低能量的沖擊對(duì)層合板造成的損傷較難分辨， 而內(nèi)部可能已發(fā)生了較為嚴(yán)重的損傷，帶來(lái)極大的安全隱患，使用壽命也隨之下降。同時(shí)直升機(jī)槳葉作為直升機(jī)結(jié)構(gòu)中的重要零部件，在保管和使用過(guò)程中也可能會(huì)承受外物的沖擊作用，雖然地面停車狀態(tài)下會(huì)進(jìn)行目測(cè)檢查，但是對(duì)于未在槳葉表面造成明顯痕跡的沖擊，其槳葉內(nèi)部依然可能存在損傷，并且該損傷有可能會(huì)對(duì)槳葉結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度性能以及使用壽命造成影響。因此，評(píng)估槳葉在低速?zèng)_擊作用下的損傷情況，以及帶不可見(jiàn)損傷的槳葉復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的承載能力，具有一定的研究意義[1]。

常規(guī)直升機(jī)槳葉剖面如圖1所示，考慮到在低速?zèng)_擊作用下，槳葉最外層復(fù)合材料蒙皮最有可能受到?jīng)_擊作用從而產(chǎn)生損傷，同時(shí)蒙皮作為主承力結(jié)構(gòu)，對(duì)整片槳葉的強(qiáng)度尤為重要，所以將復(fù)合材料蒙皮作為本次沖擊損傷研究的主要對(duì)象。

圖1 常規(guī)直升機(jī)槳葉剖面圖

本文考慮到需要對(duì)復(fù)合材料的建模以及對(duì)復(fù)合材料在低速?zèng)_擊作用下的損傷進(jìn)行計(jì)算，決定采用有限元計(jì)算軟件ABAQUS作為復(fù)合材料建模以及模擬復(fù)合材料槳葉受沖擊狀態(tài)的分析計(jì)算軟件，同時(shí)使用Cohesive 單元來(lái)對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行建模，并且模擬槳葉在沖擊作用下可能產(chǎn)生的層內(nèi)損傷和層間損傷問(wèn)題。

1 沖擊損傷過(guò)程模擬

1.1 復(fù)合材料的損傷理論

復(fù)合材料層合板低速?zèng)_擊過(guò)程是異常復(fù)雜的過(guò)程，其中涉及的損傷形式主要有4 種：纖維斷裂、纖維屈曲、基體開(kāi)裂、層間分層失效。其中纖維斷裂、纖維屈曲和基體開(kāi)裂均屬于層合板層內(nèi)損傷，而分層失效則屬于層合板層間損傷。

在層壓板失效分析中，失效準(zhǔn)則的選取是關(guān)鍵之一。Hashin準(zhǔn)則因其形式簡(jiǎn)單且能夠區(qū)分層壓板損傷過(guò)程中不同的失效類型，已經(jīng)被廣大研究人員成功發(fā)展應(yīng)用于層壓板結(jié)構(gòu)的失效判定[2]。

1)層內(nèi)損傷判據(jù)

Hashin準(zhǔn)則廣泛用于預(yù)測(cè)單向纖維復(fù)合材料層合板的損傷萌生，復(fù)合材料損傷演化規(guī)律則是通過(guò)線性本構(gòu)關(guān)系求出。針對(duì)不同的層內(nèi)失效模式，Hashin 準(zhǔn)則有著不同的形式：

①纖維拉伸模式(σ11<0)：

(1)

②纖維壓縮模式(σ11>0 )：

(2)

③基體拉伸模式(σ22>0 )：

(3)

④基體壓縮模式(σ22<0)：

(4)

以上公式中的σij(i,j=1,2,3)是用來(lái)計(jì)算損傷初始準(zhǔn)則的有效應(yīng)力張量，XT和XC分別表示層合板纖維方向的拉伸和壓縮強(qiáng)度，YT和YC分別代表橫向的拉伸和壓縮強(qiáng)度，S12表示層合板平面內(nèi)的剪切強(qiáng)度，S23表示層合板橫斷面內(nèi)的剪切強(qiáng)度。

本文建模使用到的兩種型號(hào)的復(fù)合材料彈性模量和Hashin準(zhǔn)則參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 復(fù)合材料參數(shù)

2)層間損傷判據(jù)

使用Cohesive 單元可以有效地捕捉到相鄰層間損傷的發(fā)生和擴(kuò)展。復(fù)合材料分層通常有3 種受力模式， 層合板多是在混合載荷加載時(shí)發(fā)生分層，通常單一載荷并沒(méi)有達(dá)到最大值，因此判斷分層發(fā)生采用基于雙線性traction-separation 本構(gòu)方程的二次應(yīng)力失效準(zhǔn)則，如下：

(5)

式中，σi(i=n,s,t)分別表示法向n和剪切方向s,t的牽引應(yīng)力矢量，N，S，T表示層間的應(yīng)力強(qiáng)度。

在復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)中，層間分層損傷的發(fā)生和演化通常是混合載荷導(dǎo)致的，為了精確地表示斷裂能隨應(yīng)力模式比的函數(shù)關(guān)系， 采用Benzeggagh-Kenane 損傷演化法則：

(6)

式中，GC表示混合模式下的臨界斷裂能，GⅠC、GⅡC分別表示各自單一模式下的臨界斷裂能。η為材料參數(shù)，其值的選擇與材料本身有關(guān)[3]。

1.2 沖擊建模及樣件分析

常規(guī)沖擊建模如圖2所示，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)固定，將蒙皮表面朝上，將剛性圓球施加沖擊能量的情況下與蒙皮表面相接觸。

圖2 常規(guī)復(fù)合材料沖擊模型

為了準(zhǔn)確地了解槳葉蒙皮在沖擊作用下的失效情況，建立一個(gè)復(fù)合材料層合板樣件進(jìn)行預(yù)先分析。

圖3中為剛性圓球和復(fù)合材料層合板，層合板尺寸 50mm×100mm，厚度為1.24mm，鋪層為四層，由上自下分別包括了一層V50和三層V545。

具體建模分析方法如下所述：

1) 采用連續(xù)殼單元模擬每一個(gè)復(fù)合材料鋪層；

2)鋪層與鋪層之間利用粘性單元Cohesive模擬層間作用；

3)樣件兩端固定，受 1kg 的剛性球以2m/s 速度的沖擊，沖擊位置板中心，采用Abaqus/explicit 模塊評(píng)估沖擊載荷下每一層的破壞與吸能情況；

4)沖擊時(shí)長(zhǎng) 2.5e-4 s，同時(shí)由分析結(jié)果得知沖擊作用下復(fù)合材料鋪層的脫層范圍。

根據(jù)分析結(jié)果可以得到復(fù)合材料鋪層在沖擊作用下的脫層情況如圖4-圖7所示。

圖4 1-2層間脫層情況

圖5 2-3層間脫層情況

圖6 3-4層間脫層情況

由分析云圖可知，在該材料參數(shù)下第二層與第三層之間吸能最多，最容易產(chǎn)生層間開(kāi)裂，其中第二層開(kāi)裂范圍大約為為16mm×17mm，但是基體和纖維幾乎沒(méi)有損傷。

圖7 基體在沖擊載荷作用下的壓縮破壞情況

為了更進(jìn)一步分析，將脫層區(qū)域引入樣件模型，刪除脫層區(qū)域的粘性單元，建立層與層之間的通用接觸，利用 Abaqus/standard 開(kāi)展壓縮失穩(wěn)破壞分析。如圖8所示，壓縮失穩(wěn)邊界為一端固定，一段施加強(qiáng)制位移，兩側(cè)邊夾持住面法向位移以保證結(jié)構(gòu)在面內(nèi)壓縮。

圖8 樣件壓縮承載分析

經(jīng)過(guò)分析計(jì)算結(jié)果可以得到該種狀態(tài)下的復(fù)合材料層合板的變形情況，其中變形云圖如圖9所示。

圖9 壓縮引起的失穩(wěn)變形

壓縮載荷下由于材料的失穩(wěn)會(huì)引起承載能力下降，但這個(gè)失穩(wěn)是樣件的總體失穩(wěn)，尚未捕捉到子層的局部失穩(wěn)與層間裂紋擴(kuò)展的跡象。

1.3 槳葉沖擊損傷強(qiáng)度分析

槳葉沖擊損傷建模過(guò)程和復(fù)合材料層合板樣件類似，為了增加精度，在沖擊區(qū)域細(xì)化模型以捕捉?jīng)_擊帶來(lái)的損傷，槳葉建模如圖10所示。

圖10 槳葉沖擊建模

施加與樣件模型相同的載荷作用，觀察槳葉在剛性沖擊作用下的損傷情況，得到槳葉在沖擊作用下的應(yīng)力分布以及基體損傷情況，如圖11-圖13所示。

圖11 低速?zèng)_擊下的應(yīng)力波傳播

圖12 沖擊后的基體壓縮損傷

由變形云圖可以發(fā)現(xiàn)，槳葉在沖擊作用下應(yīng)力成波狀分布并且逐漸擴(kuò)散至整片槳葉中，同時(shí)模型的基體在沖擊位置產(chǎn)生不同大小的壓縮損傷和層間剪切損傷，由此可以知道低速?zèng)_擊會(huì)對(duì)槳葉結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的損傷影響。

圖13 沖擊后的基體層間剪切損傷

將已經(jīng)存在損傷的槳葉模型導(dǎo)入有限元軟件進(jìn)行分析，采用樣件相同的分析方法，一端固定，一端施加強(qiáng)制位移，兩側(cè)邊夾持住面法向位移以保證結(jié)構(gòu)在面內(nèi)壓縮。

根據(jù)分析計(jì)算結(jié)果可以得到損傷區(qū)域的應(yīng)力分布云圖如圖14所示。

圖14 損傷區(qū)域的應(yīng)力分布云圖

從云圖中可以發(fā)現(xiàn)，損傷區(qū)域應(yīng)力存在突變，沖擊損傷作用會(huì)對(duì)槳葉復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致應(yīng)力集中，致使整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的下降。

2 結(jié)論

根據(jù)樣件模型和槳葉的有限元建模及分析我們可以知道：

低速不可見(jiàn)沖擊會(huì)造成槳葉復(fù)合材料的層間脫層情況，并且在復(fù)合材料鋪層的中間區(qū)域脫層尤為嚴(yán)重，然而靠外側(cè)的復(fù)合材料脫層現(xiàn)象較內(nèi)側(cè)少。

沖擊損傷區(qū)域的復(fù)合材料在壓縮作用下應(yīng)力存在突變，由此推斷低速不可見(jiàn)沖擊有可能導(dǎo)致槳葉復(fù)合材料產(chǎn)生應(yīng)力集中的問(wèn)題，并且會(huì)對(duì)槳葉結(jié)構(gòu)強(qiáng)度造成影響。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 藍(lán)友澤,朱 亮,徐志偉.復(fù)合材料機(jī)翼格柵結(jié)構(gòu)低速?zèng)_擊損傷仿真研究[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào),2013，30(2)：165-172.