基于ABAQUS界面裂纹扩展的模拟冰型分析

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适航取证是所有民用飞机走向市场投入使用的必经阶段,其中模拟冰型试飞是必须进行的Ⅰ类风险试飞课目,国内尚未对试飞用模拟冰型展开研究。本文主要研究一种新型夹层结构模拟冰型,该冰型含有多个双材料界面,界面的断裂性能对于整体强度评估有着重要影响。通过理论分析,有限元模拟和实验研究,证明了所设计的模拟冰型满足强度要求,能够用于模拟冰型试飞。界面裂纹不同于一般各向同性材料中的裂纹,其应力奇异性和裂尖应力场都有着独特的特点。为研究界面裂纹强度及扩展方式,本文基于弹性断裂力学理论,对界面裂纹裂尖应力场和应力奇异性进行了讨论,讨论了裂尖应力强度因子定义以及其数值解法。利用最大切向拉应力给出界面裂纹破坏准则,并着重研究了随混合度变化的界面断裂韧性,给出了近似函数。对于界面裂纹扩展的路径给出了判断依据。本文利用PYTHON脚本语言对ABAQUS进行二次开发,实现了界面裂纹的扩展,由于采用参数化建模,对于不同的双材料和不同载荷下的扩展都能进行预测。本文给出了一个边缘界面裂纹板的算例,主要模拟了在不同载荷下,界面裂纹扩展的主要两种路径:一是沿界面扩展,二是转折扩展进基体材料。并讨论了应力强度因子和混合度随裂纹扩展的变化。同时,在弦向载荷和合力载荷两种工况下,对模拟冰型结构的界面通过预置裂纹进行了裂纹扩展模拟,初始裂纹位置及载荷大小基于界面强度理论得出。通过增加位移载荷,得到力的变化曲线,从而得到最大力即强度。除了有限元分析,本文采用实验的方法研究了模拟冰型的胶接强度,对模拟冰型在弦向载荷和合力方向载荷下的胶接强度进行了验证试验,得到了两个载荷方向上模拟冰型的破坏载荷。对比有限元分析结果与实验结果发现误差不大,说明理论分析方法的准确性。将实验结果与载荷等效结果进行比较,结果显示模拟冰型的胶接强度和本体强度能够满足试飞要求。通过本文研究,成功实现了界面裂纹的自动扩展,扩展方式不仅仅限于沿界面扩展,转折破坏扩展也能进行模拟。利用界面裂纹自动扩展程序对模拟冰型分析,证明了所设计的模拟冰型能够满足试飞要求,在试飞过程中模拟冰型不会脱落,自身不会发生破坏,具有较高的工程使用价值。
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