[發明專利]一種基于近場動力學理論的飛機電脈沖除冰模擬方法

有效

• 申請號: 202110547007.5
• 申請日: 2021-05-19
• 公開（公告）號: CN113239551B
• 公開（公告）日: 2022-12-23
• 發明（設計）人: 張峰;侯欣婷;程磊;王新河;韓誠;武明英
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F119/14
• 代理公司: 西安凱多思知識產權代理事務所(普通合伙) 61290
• 代理人: 劉新瓊

1.一種基于近場動力學理論的飛機電脈沖除冰模擬方法，其特征在于步驟如下：

步驟1：建立電脈沖除冰近場動力學仿真模型，所述的仿真模型包括蒙皮和附在蒙皮上的冰層；所述的仿真模型涉及的參數包括蒙皮的尺寸、楊氏模量、泊松比和密度；冰層的厚度、楊氏模量、泊松比和密度；所述的蒙皮的尺寸：長為A，寬為B，厚為H₁；所述的冰層的厚度為H₂；

步驟2：對仿真模型進行離散化、施加邊界條件

將蒙皮和冰層均勻離散成體積一樣的晶格，即物質點；根據物質點間距d確定模型中物質點的數量：再根據鄰域半徑δ構建所有物質點的鄰域矩陣；

對機翼蒙皮施加邊界條件：將蒙皮的相鄰兩邊夾緊，進行固支；

電脈沖激勵通過作用在圓形表面區域內的激振力載荷模擬；圓形表面與蒙皮表面不接觸間距為0.1-0.5mm；電脈沖荷載瞬態分布規律遵循周期為T的正弦函數，荷載集度與距離的關系為：

其中：F(x_i,t)為載荷集度，t為電脈沖荷載作用時長，R(x_i)為物質點到載荷中心的距離與載荷半徑的比值；

電脈沖荷載被轉換為體積力均勻施加在靠近線圈的一層物質點上：

其中：為體積力，dx為物質點距載荷中心距離；

步驟3：構造冰-鋁鍵函數和冰層剝離函數

基于雙材料界面模型，建立冰鋁界面鍵的鍵常數表達式：

其中：c為冰鋁界面鍵的鍵常數，c_A為冰的鍵常數，c_B為鋁的鍵常數，l_A為冰鍵的原長，l_B為鋁鍵的原長，l為串聯鍵的原長，ω_A＝l_B/l,ω_B＝l_A/l分別是冰和鋁的距離加權函數；

將剪切破壞的斷裂能G_s與通過界面的所有界面剪切鍵的能量進行等效，通過單位界面面積的所有界面剪切鍵達到臨界伸長率的能量積分為：

根據剪切破壞的斷裂能G_s的公式反推得到界面剪切鍵的臨界伸長率S_s：

其中：c為冰-鋁鍵的鍵常數，υ_c(j)為體積修正數；

將拉伸破壞的斷裂能G_t與通過界面的所有鍵能之和進行等效，通過單位界面面積的所有界面拉伸鍵達到臨界伸長率的能量積分為：

根據拉伸破壞的斷裂能G_t的公式反推得到界面拉伸鍵的臨界伸長率S_t：

將界面剪切鍵的臨界伸長率S_S和界面拉伸鍵的臨界伸長率S_t，用于表征冰層與鋁板間的剝離；

步驟4：迭代求解

將脈沖力轉化為體積力進行施加，基于PD動力學方程，對仿真模型進行迭代，求解每一時間步物質點的位置和位移：

其中，ρ表示材料密度，u和分別表示物質點x的位移和加速度，H_x表示物質點x的近場范圍，b表示體積力密度，t表示當前時刻，x′和u′分別表示物質點x近場范圍H_x內任一點的物質點及其位移，dV_x表示物質點x處的體積微元，f表示物質點x′作用在物質點x上矢量力；

根據位置和位移計算物質點間的伸長率s：

其中，η＝u(u′,t)-u(x,t)表示物質點的相對位移，ξ＝x′-x為物質點的相對位置；

對物質點間的伸長率s進行判斷，若超過任一個臨界伸長率，則對應方向的鍵斷裂，鍵力消失；μ表示連接鍵的斷裂狀態：

其中，s₀表示連接鍵的臨界伸長率，當伸長率超過s₀時，連接鍵破壞，兩物質點間不再相互作用；

計算界面鍵的鍵力函數：

以連接鍵的破壞情況占比來表示各物質點鄰域矩陣內局部破壞水平：

當冰層物質點鄰域內所有的界面拉伸鍵和界面剪切鍵全部斷裂時，即時，冰物質點完全從蒙皮表面剝離；因此，電脈沖除冰系統的除冰率可由的冰層物質點在界面上的積分表示。