[发明专利]一种着陆冲击下的机械结构累积损伤计算方法

说明书

技术领域

本发明涉及空投着陆冲击条件下的机械结构动态响应计算与机械结构累积损伤的估计，特指一种着陆冲击下的机械结构累积损伤计算方法。 

背景技术

目前，随着空投技术的发展成熟，空投技术越来越多地被应用在抢险救灾、科学实验、输送装备和物资等任务中。空投装备一般采用降落伞来降低其着陆速度，同时配合地面缓冲与减震装置来吸收空投装备剩余的动能。尽管如此，空投装备在着陆过程中仍会受到一定的冲击载荷，该冲击载荷是引起空投装备机械结构损伤的主要因素之一。由于某些特种装备要重复空投使用，其机械结构的损伤将逐渐累积。因此，在设计此类空投装备时，不仅要保证其机械结构的抗冲击能力，还要对其在着陆冲击下的机械结构累积损伤进行研究。 

空投装备的着陆冲击过程是一个包含材料非线性、几何非线性和边界非线性的问题。由于非线性问题的复杂性，利用解析方法能够得到的解答是非常有限的。随着有限元法在线性分析中的成功应用，它在非线性分析中的应用也取得了很大的进展，并已经获得了很多不同类型实际问题的求解方案。 

其中，顾永宁等人在《上海交通大学学报》2003年第8期上发表的《船舶碰撞与触底事故的数值仿真》，该文中作者运用非线性有限元数值仿真方法进行船-船碰撞和船-桥碰撞分析，列出了所能得到的计算结果，同时给出了一个校准该计算的研究结果，证明非线性有限元数值计算方法可以对复杂的碰撞损伤作出良好的仿真。还有，张振华、王乘等人在《振动与冲击》2005年第5期发表的《潜艇艇体结构在水下爆炸冲击载荷作用下损伤研究》，该文中作者采用数值计算与试验手段相结合的方法，对潜艇艇体结构在水下爆炸载荷作用下的损伤进行了研究。然而，现有技术中并没出现对着陆冲击下的机械结构累积损伤进行计算的技术资料。 

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足提供一种基于非线性有限元方法模拟空投着陆冲击过程，计算机械结构累积损伤的方法。 

为实现上述目的，本发明的一种着陆冲击下的机械结构累积损伤计算方法，所述计算方法的步骤包括：第一步，机械结构空投着陆过程的模拟，其实施步骤如下：1）计算着陆冲击下机械结构的动态载荷：首先采用在机械结构上施加载荷的形式模拟出机械结构的着陆冲击过程，然后根据动态载荷公式计算着陆冲击下机械结构的动态载荷，动态载荷公式如下： 

式中，为动态载荷，为静态载荷，为各步加速度值，为重力加速度值；2）在机械结构的主要承载位置施加动态载荷，求解着陆冲击下机械结构的动态响应结果。

第二步，根据多次着陆冲击下机械结构的动态响应结果，结合勒梅特损伤模型评估机械结构的累积损伤，计算机械结构累积损伤，其实施步骤如下：1）选择合适的损伤变量，确定损伤演变方程，从损伤演变方程得出机械结构材料断裂时的破坏阈值；2）结合连续介质力学的基本方程构成机械结构损伤定解问题或变分问题，用有限元方法离散机械结构，求解机械结构的应力、应变场和损伤场；3）根据求解得出的机械结构的损伤场确定第i次冲击作用下的损伤分布状态，将此损伤分布状态作为第i+1次计算的初始损伤分布状态，结合勒梅特损伤模型重复计算含初始损伤的机械结构在冲击作用下的累积损伤，根据所述损伤演变方程判定机械结构是否达到破坏阈值，重复上述累积损伤计算，直至达到机械结构的破坏阈值而终止。 

其中，所述动态响应的结果包括机械结构的位移、速度、加速度、应力和应变。 

其中，所述连续介质力学的基本方程包括：平衡方程、几何方程和本构方程； 

所述平衡方程为：

式中，为机械结构的质量矩阵，为机械结构的阻尼矩阵，为机械结构的刚度矩阵，、、分别为第i次冲击下机械结构节点的加速度、速度和位移向量；为机械结构受到的外界冲击作用力；所述几何方程为：

式中，为机械结构的形变矩阵，为机械结构待定节点的位移列阵；

所述本构方程为：

式中，为流动应力，为等效塑性应变，为无量纲应变率，为屈服强度，为硬化模量，为塑性硬化指数，为应变率系数，，其中为材料温度，为参考温度，而为材料的熔点温度，为温度指数。

其中，所述勒梅特损伤模型为： 

式中，为损伤变量，为损伤极限值，为材料累积塑性应变，、分别为损伤门槛值的塑性应变和损伤极限值的塑性应变，为三轴应力因子，其中：

式中，为材料泊松比，为静水压力，为Von Mises等价应力，在单轴应力下，=，=，=1。