[发明专利]电脉冲除冰仿真方法及系统

说明书

本发明涉及除冰仿真技术领域，具体公开了一种电脉冲除冰仿真方法及系统，方法包括：S1构建除冰有限元基础模型；S2对有限元基础模型施加模拟电脉冲除冰载荷；S3建立有限元方程，并求解出在模拟电脉冲除冰载荷作用下冰层、冰层/蒙皮界面的应力和应变；S4通过冰层、冰层/蒙皮界面的应力和应变进行冰层脱落判断，并将发生冰层脱落的单元删除；冰层脱落判断包括：判断冰层是否发生断裂；判断冰层与蒙皮界面是否脱粘；若冰层断裂或/和冰层/蒙皮界面脱粘则冰层脱落；S5重复步骤S3‑S4，直到达到预定除冰仿真时间阈值。本发明综合考虑冰层断裂与冰层/蒙皮界面脱粘对冰脱落的影响，能够更为合理、准确预测电脉冲除冰效果。

技术领域

本发明涉及除冰仿真技术领域，尤其涉及一种对电脉冲除冰进行仿真的方法及系统。

背景技术

针对飞机结冰，当前飞机防除冰技术主要分为被动防冰和主动除冰两类。电脉冲除冰作为一种机械式主动除冰技术，具有能量消耗低、结构简单、重量轻、通用性强、可靠性高等优点，能够满足飞机除冰安全性与低能耗环保性要求，具有广泛的应用潜力。

电脉冲除冰系统如图1所示，其基本工作原理为：电流诱导线圈产生电磁场，从而在飞机蒙皮瞬时激发成百上千牛的脉冲排斥力。飞机蒙皮在电脉冲排斥力的激励下发生形变，并将冲击、振动载荷传递至蒙皮表面覆冰，使冰层发生脱落，最终达到除冰目的。

电脉冲防除冰技术的发展与应用离不开数值仿真，模拟冰脱落过程以及预测除冰效果对电脉冲除冰系统的研制有重要的指导意义。精准的防除冰仿真模型能够帮助人们迅速的完成防除冰系统设计、分析与优化工作。复杂结构的解析理论计算通常非常繁琐，因此采用数值方法进行求解较为简捷。有限元方法(Finite element method)通过把复杂的微分方程组离散为线性方程组求解，可获取电脉冲除冰时蒙皮及冰层的应力、应变响应，并基于损伤力学原理对除冰过程进行模拟仿真。

现有技术专利202110547007.5公开一种基于近场动力学理论的飞机电脉冲除冰模拟方法，首先建立电脉冲除冰系统的数值模型，模拟高应变率状态下冰层与蒙皮的动力学响应，构建距离加权的双材料界面模型，模拟冰层与铝制蒙皮间的相互作用。考虑到冰在基底上附着能力存在各向异性，将界面键分为界面剪切键和界面拉伸键两类，推导了两种键临界伸长率的数值求解方法，利用两种键不同的临界伸长率模拟了冰在基底上的抗拉能力和抗剪能力。基于界面键的损伤模型，构建了单个冰质点的剥离率和界面冰层剥离率的表达式作为 电脉冲除冰效果的一个指标。该方法仅考虑了冰层与蒙皮界面之间的脱粘，未考虑冰层断裂对冰脱落的影响。因此，该仿真方法模拟出来的除冰效果与真实效果之间存在差异，且不能用于分析与冰层断裂相关的物性参数对防除冰效果的影响规律，不能满足防除冰仿真的精准性要求和考察变量全面性要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电脉冲除冰仿真方法及系统，通过对冰层断裂以及冰层与蒙皮界面脱粘情况的同时考虑，使得仿真结果更加准确，并能全面考察分析冰层断裂、冰层与蒙皮界面脱粘相关联的物性参数对防除冰效果的影响规律。

为了解决上述所提到的技术问题，本发明提供一种电脉冲除冰仿真方法，包括：

S1构建除冰有限元基础模型，所述除冰有限元基础模型包括蒙皮以及冰层；

S2对有限元基础模型施加模拟电脉冲除冰载荷；

S3建立有限元方程，并求解出在模拟电脉冲除冰载荷作用下冰层、冰层/蒙皮界面的应力和应变；

S4通过冰层的应力和应变、冰层/蒙皮界面的应力和应变进行冰层脱落判断，并将发生冰层脱落的单元删除；所述冰层脱落判断的方法包括：

判断冰层是否发生断裂；

判断冰层/蒙皮界面是否发生脱粘；

若判断出所述冰层发生断裂，或/和所述冰层/蒙皮界面发生脱粘，判定所述冰层脱落；

S5重复步骤S3-S4，直到达到预定的除冰仿真时间阈值。

作为一种改进，所述构建除冰有限元模型的方法包括：