基于Tsai-Wu强度准则的某型飞机机翼层压板翼面低速冲击响应仿真分析
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作者:田俊 刘吉 杨宗邦
摘要：为分析某型纤维增强复合材料层压板翼面受到异物低速冲击作用后的结构力学性能，基于Tsai-Wu张量强度理论和非线性显式动力学计算对复合材料翼面层压板进行冲击强度分析。建立了该型机翼的三维模型，根据复合材料力学理论建立了该机翼层压板实体单元的有限元模型，基于Tsai-Wu张量强度准则和显式动力学有限元方法对翼面进行冲击力学分析，得出了冲击作用下层压板翼面结构力学特性，为翼面针对性的损伤检测定位分析提供了技术方法。
关键词：复合材料；显式动力学；机翼
Keywords：composite；implicit dynamics；wing
0 引言
某型飞机机翼翼面为纤维增强复合材料层压板结构，在飞机起飞、降落过程中易受到石子、飞沙和冰雹等冲击，维修过程中工具跌落也可能对复合材料翼面造成冲击损伤。由于低速冲击后复合材料翼面可能表观正常，但层压板内部铺层已发生损伤和破坏，因此需要对翼面结构受力情况进行分析，评估层压板结构力学性能。本文结合复合材料力学原理和低速冲击动力学计算方法，对层压板翼面局部区域受低速冲击进行有限元仿真，计算出翼面局部在冲击作用下的层压板翼面各层沿纤维方向主应力分布，得到较危险层位置和主应力大小，并计算不同初始冲击速度作用下层压板翼面主应力分布规律，不仅进一步认识层压板受低速冲击作用的结构力学响应规律，而且为层压板翼面针对性的检测提供定位和指引。
1 复合材料强度分析原理 1.1 复合材料低速冲击概述
2 仿真计算
2.1 建立有限元模型
2.2 计算结果分析及损伤评估
假设异物以相当于从2.5m高度处自由落体的初速度冲击翼面，根据固有振动频率的分析，采用5e-9作为质量缩放时间增量进行计算，从计算Y果可得：
1）在未发生冲击损伤时，各层沿纤维方向最大主应力沿上下两侧铺层向中心铺层逐渐减少，各层沿纤维方向最大主应力与铺层顺序大致呈现U型分布，图2为t=6.3e-4s时刻各层在纤维方向最大主应力随铺层顺序变化情况，因此应重点关注临近上下翼面的各纤维方向铺层的冲击损伤情况。
2）对比第1、2、3、4铺层的各时刻冲击的最大等效应力可得，第1铺层于t=7.35e-4s首先出现单元达到Tsai-Wu张量强度准则发生失效，如图3所示；第2、3、4铺层均于t=9.8e-4s时刻出现单元达到Tsai-Wu张量强度准则发生失效，如图4至图6所示。
2.3 不同初速度冲击对比分析
当异物分别以相当于从1m、2m和3m高度自由落体的初速度与翼面碰撞时，根据计算结果分析可得：
1）同一铺层首次发生损伤时的应力状态基本相同。对第1铺层而言，当以不同初速度冲击翼面时，该层首次出现失效前的纤维方向最大主应力基本为570MPa。这说明相同材料、相同结构在相同形式的载荷作用下结构开始发生破坏的内能基本接近。
2）同一铺层首次发生损伤的时间不同，冲击速度越大，发生损伤的时间越快。对第1铺层而言，当异物以1m高度自由落体的初速度冲击翼面后，它将在t=1.75e-2s时刻首次发生失效；当异物以2m高度自由落体的初速度冲击翼面后，它将在t=9.45e-4s时刻首次发生失效；当异物以3m高度自由落体的初速度冲击翼面后，它将在t=5.6e-4s时刻首次发生失效。
3 结论
本文基于复合材料力学原理和显式动力学计算方法，对某型机纤维增强复合材料机翼层压板受异物冲击进行强度分析，模拟了翼面层压板在冲击过程的瞬态应力变化过程，得到了冲击过程中各铺层在纤维方向上的主应力分布，进一步了解复合材料翼面低速冲击的应力动态分布规律。结合TsaiWu张量强度准则，可得到受冲击作用后复合材料翼面层压板发生失效的铺层顺序和潜在损伤区域，认识层压板受低速冲击作用的结构力学响应规律，为针对性地检测提供定位分析相关的技术支撑。
参考文献
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