[发明专利]一种准真实结构冰雹的建模方法及试验方法

说明书

本发明公开了一种准真实结构冰雹的建模方法，采用统一本本构模型建立冰雹有限元模型的常规做法，通过建模、试验、验证、分析等手段获得不同密度冰的动态力学性能和本构模型，建立具有不同层厚的准真实结构冰雹几何模型，采用不同密度的冰的本构模型描述分层力学性能，建立数字化可快速编辑的准真实结构冰雹模型。本发明还提供了使用上述分层冰球模型的试验方法。

技术领域

本发明涉及计算机程序及航空发动机冲击与吞咽试验的技术领域。

背景技术

目前为止，对于冰雹的形成机制研究有很多。上世纪60年代，前苏联科学家Sulakvelidze等提出冰雹“累积带”理论，认为在雹云中上部存在过冷水的累积带，为冰雹增长的主要区域。Nelson利用多部多普勒天气雷达和三维冰雹生长模式分析了美国大平原地区两例超级单体风暴中冰雹的生长机制，指出冰雹生长主要集中在暖于-25℃的层中，且雹胚形成和生长可能要经历多次上下循环输送过程，雹胚来自多个不同区域。Foote等提出了多单体风暴中冰雹增长的概念，认为冰雹是通过倾斜的上升气流中增长的，大多数雹块的增长发生在-10℃～-25℃温度范围内。Franco采用应用于x射线显微照片的密度测量技术来测量密度，提出冰雹在形成过程中是由于冰的“干湿”交替增长，水会渗透到由干生长形成的多孔结构中，经过冻结过程最终会形成不同密度的层状结构。由此可见，真实冰雹可以认为是由不同密度和不同结晶方式冰组成的近似分层球壳形成的球体，由于冰雹的上述结构和形成过程，使自然界的真实冰雹具有比重为0.8-0.9的特性。

但在发动机部件或整机开展冲击和吞咽试验时，所采用的仿真冰雹多为直接冻制的冰球，并没有分层的球壳，使得最终的试验结果并无法完全体现出自然环境中的冰雹对针对发动机部件造成的损害，使得试验结论仍存在偏差。

为此，需要一种新的技术方案以解决上述技术问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种准真实结构冰雹的建模方法，能够更加准确的模拟出现实中的多层冰雹模型。

本发明还提供了使用该建模方法获取的冰雹模型的试验方法。

为了达到上述目的，本发明提供的准真实结构冰雹的建模方法采用的技术方案如下：

一种准真实结构冰雹的建模方法，包括以下步骤：

(1)采用模具压制冰屑法或冰风洞吹风结晶机加工法获得不同密度冰的球体、立方体或圆柱体试样；

(2)对步骤(1)获得的不同密度冰试样进行准静态力学性能测试，获得每个试样基本物性和力学参数，包括密度、弹性模量、屈服应力、失效应变；

(3)对不同密度冰试件进行刚性靶板或可变性靶板的冲击试验，测量靶板上的载荷或动力学响应变化；

(4)建立不同密度冰试样的有限元模型，采用本构模型加状态方程描述冰的动态力学性能，开展刚性靶板或柔性靶板冲击试验仿真，将仿真值和试验值进行参数迭代，获得不同密度冰试样的状态参数，进而获取完整的不同密度冰试样的动态本构模型；

(5)采用拉格朗日或SPH法建立同心的分层球壳准真实结构冰雹有限元模型，表征真实结构的冰雹几何形态；

(6)采用上述经验证的不同密度冰的本构模型描述不同分层中具有不同密度的冰的力学性能，并将其组合成具有不同分层结构和不同分层力学性能的有限元分析模型。

进一步的，步骤(5)中，建立的冰雹有限元模型可包含球形、椭球形、不规则卵形、长方体形、以及可有积冰形成的其他不规则立体几何形状。

进一步的，步骤(6)中，用全三维方法表征自然形成的冰雹的分层结构和不同分层中力学性能可变的特性。