LS-DYNA基于SPH-FEM算法的冰雹冲击铝合金板数值模拟 原创

1 引言

      高速冰雹冲击会对暴露在外的航空器结构造成严重破坏，不仅可能引发结构变形，甚至可能穿透较薄的结构部件。这种冲击对飞机关键部位的影响尤为显著，高速大直径冰雹的冲击不仅会造成结构损伤，更可能导致功能失效，严重威胁飞行安全，甚至危及乘客生命及财产安全。因此，开展结构抗冰雹冲击分析具有重要现实意义，是飞机及其他航空飞行器设计与制造的基本要求之一。冰雹冲击速度主要存在两种典型工况：一是冰雹自由落体的终端速度（约30m/s），二是飞机巡航速度（通常为300 m/s）。值得注意的是，欧洲航空安全局关于冰雹威胁的研究报告指出，与鸟撞等单次冲击事件不同，冰雹冲击具有持续多次的特性。虽然单次冰雹冲击的破坏程度可能不及鸟撞，但累积性的多次冲击会对航空器造成更严重的复合损伤，从而显著增加飞行安全风险。

2 LS-DYNA建模

      研究冰雹冲击铝合金板的数值模拟研究具有现实意义。在LS-DYNA软件中建立冰雹冲击铝合金板的数值模型。冰雹近似为球体，直径为2.25cm，建立为SPH粒子。铝合金板尺寸为20*20*0.1cm，划分为有限元网格。求解时间设定为0.03s。

3 冰雹材料模型

      冰雹的密度为897.6 kg/m3，弹性模量为9.31GPa，泊松比为0.33。Carney等提出了冰雹的材料本构模型，采用LS-DYNA材料库MAT155号材料，由关键字*MAT_PLASTICITY_COMPRESSION_TENSION_EOS定义，并采用关键字*EOS_TABULATED_COMPACTION定义状态方程。

      参数项LCIDC需输入曲线号49，定义压缩流动应力的线性硬化直线，用户需定义两个数据点，塑性应变为0时压缩流动应力为172.4MPa，塑性应变为2时压缩流动应力为186.1MPa。

      参数项LCIDT需输入曲线号50，定义拉伸流动应力的线性硬化直线，用户需定义两个数据点，塑性应变为0时压缩流动应力为17.24MPa，塑性应变为2时压缩流动应力为18.61MPa。

4 铝合金材料模型

      铝合金板的密度为2710 kg/m3，弹性模量为69GPa，泊松比为0.33。采用LS-DYNA材料库MAT018号材料，由关键字*MAT_POWER_LAW_PLASTICITY定义。

5 冰雹初始速度设置

      冰雹冲击的初始速度200m/s，由关键字*INITIAL_VELOCITY_GENERATION进行定义，由于在建模的坐标系下冲击方向为Z轴负方向，因此参数项VZ填入值为-200。

6 接触设置

      冰雹和铝合金板的接触类型采用自动点面接触，由关键字*CONTACT_AUTOMATIC_NODES_TO_SURFACE进行定义，冰雹为从面，铝合金板为主面。

7 边界条件设置

      将铝合金板周边的四个面上的所有节点定义为set_node集合，并通过关键字*BOUNDARY_SPC_SET将其自由度约束。

8 后处理

      采用求解器完成K文件的求解，并用LS-PREPOST软件打开d3plot结果文件进行后处理。

      冰雹冲击结果：

      铝合金板等效塑性应变云图：

      铝合金板中点位移曲线：

      铝合金板不同测点的等效应力时程曲线：

      付费内容包含冰雹冲击铝合金板的K文件、后处理讲解视频。对于模拟内容感兴趣的朋友，可以在付费内容里下载K文件，并可以观看后处理视频。