一种评估金属框架结构受多次冲击累积毁伤的数值方法与流程

1.本发明属于毁伤评估技术领域，具体涉及一种多次冲击累积毁伤的数值方法。


背景技术：

2.在复杂的战场上，无论是各种类型装甲车辆的车门结构、轻装甲的围护结构(即外层板架，金属板加肋)、还是舰船结构，都可视为含肋金属框架结构，都是各类系统防护的薄弱点。其防护效果决定了武器装备的功能实现和使用寿命。但在战场中，此类围护易受多次爆炸冲击波作用形成损伤，如产生可见的宏观塑性变形。所以评估围护结构受多次冲击波作用的累积损伤对于提高武器装备的使用寿命具有重要意义。
3.专利公开号cn110595298a提出了一种冲击毁伤等效靶装置，通过观测惯性系统受力前后位置的变化，推测出待测量冲击的加速度是否超过设定值，进而判断等效设备是否被破坏，但通过加速度判定是否发生破坏的方法考虑的影响因素较少，且通过试验的方法判定损伤会产生较大的试验成本。
4.专利公开号cn109933903a提出了一种构件表面载荷分布规律的分析方法，利用得到的爆炸载荷参数对构件的破坏进行评估分析，方案简单。但其只考虑一次冲击后的破坏评估分析，且没有给出构件在多次冲击下的损伤累积规律，具有一定的局限性。
5.目前冲击波毁伤评估主要针对一次冲击开展，然而在实际复杂战场环境中，武器装备可能面对多次冲击，产生累积损伤，最终发生破坏的情况。目前并没有完整的体系表征构件受多次冲击累积损伤的积累情况，机理问题更是不清楚，常常导致围护结构没有得到及时的更换，最终降低了武器装备的使用寿命，造成大量的经济及人员损失。


技术实现要素：

6.为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种评估金属框架结构受多次冲击累积毁伤的数值方法，该方法以显式动力学分析为基础，设置临界阻尼进行显式回弹分析实现冲击后自由振动的卸载，应用johnson-cook失效模型及累积损伤方程计算典型框架结构的损伤量，最后应用重启动技术实现单元、节点、部件的力学状态量在不同冲击间的传递，得到典型框架结构受多次冲击的损伤累积历程。本发明可以及时地对围护结构进行维修和更换，延长武器装备的使用寿命，减少人员的伤亡。该方法不需要进行试验，分析方法简单易于操作，有效降低成本。
7.本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括如下步骤：
8.步骤1：建立金属框架结构的有限元模型；
9.步骤2：对步骤1建立的有限元模型进行显式动力学分析，获得金属框架结构受爆炸冲击载荷下的动响应；
10.步骤3：利用重启动技术，结合显式回弹分析，将金属框架结构受到冲击后产生的自由振动卸载；
11.步骤4：当金属框架结构的振动被卸载处于稳定状态时，提取金属框架结构动响应
力学参量；
12.步骤5：将动响应力学参量代入到johnson-cook失效模型和累积损伤方程，计算结构的损伤量；
13.步骤6：若步骤5计算得到的损伤量小于1，则返回步骤2，进行下一次冲击计算；若损伤量大于等于1，则判定金属框架结构已经处于失效状态，结束计算；
14.步骤7：记录每次冲击时的损伤量数值，绘制损伤量随冲击次数增加的变化图，经过拟合后得到多次冲击作用下的累积损伤规律。
15.优选地，所述建立金属框架结构的有限元模型的工具为ls-dyna。
16.优选地，所述金属框架结构动响应力学参量包括面板最大挠度点的xyz三个方向主应力、塑性应变量和v-m应力。
17.优选地，所述johnson-cook失效模型和累积损伤方程分别由式(1)及式(2)给出：
[0018][0019]
其中，εf表示失效应变，σ*为应力三轴度，d1～d5分别为试验测得的材料的失效参数；表示无量纲塑性应变率，t*表示同系温度，t
room
为室温，t
melt
为金属的熔点；
[0020][0021]
其中，d为损伤量，
△
ε
p
为塑性应变的增量，当损伤量d》1时认为材料失效。
[0022]
本发明的有益效果如下：
[0023]
1、本发明通过使用显式动力学分析得到典型金属框架结构受冲击产生的动响应，在利用重启动技术进行振动回弹分析，提取结构处于稳定状态下的力学参数，进而累积损伤计算。根据计算的损伤量判定围护结构的工作状态，可以及时地对围护结构进行维修和更换，延长武器装备的使用寿命，减少人员的伤亡。
[0024]
2、本发明基于有限元数值模拟提出了多次冲击的准确计算流程，创新性地提出了表征累积损伤的方法，结合重启动技术、无量纲分析方法给出探究结构损伤规律的分析方法，该分析方法不需要进行试验，分析方法简单易于操作，有效降低成本。
附图说明
[0025]
图1为本发明方法的流程图。
[0026]
图2为本发明实施例有限元模型。
[0027]
图3为本发明实施例多次冲击位移云图。
具体实施方式
[0028]
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0029]
本发明的目的是提出一种计算典型金属框架结构受多次冲击产生累积损伤的方法，该方法不需要进行试验操作，通过有限元数值仿真即可得到结构累积毁伤的规律。
[0030]
如图1所示，一种评估金属框架结构受多次冲击累积毁伤的数值方法，包括如下步
骤：
[0031]
步骤1：利用ls-dyna建立金属框架结构的有限元模型；
[0032]
步骤2：对步骤1建立的有限元模型进行显式动力学分析，获得金属框架结构受爆炸冲击载荷下的动响应；
[0033]
步骤3：利用重启动技术，结合显式回弹分析，将金属框架结构受到冲击后产生的自由振动卸载；
[0034]
步骤4：当金属框架结构的振动被卸载处于稳定状态时，提取金属框架结构动响应力学参量，包括面板最大挠度点的xyz三个方向主应力、塑性应变量和v-m应力；
[0035]
步骤5：将动响应力学参量代入到johnson-cook失效模型和累积损伤方程，计算结构的损伤量；
[0036]
步骤6：若步骤5计算得到的损伤量小于1，则返回步骤2，进行下一次冲击计算；若损伤量大于等于1，则判定金属框架结构已经处于失效状态，结束计算；
[0037]
步骤7：记录每次冲击时的损伤量数值，绘制损伤量随冲击次数增加的变化图，经过拟合后得到多次冲击作用下的累积损伤规律。
[0038]
具体实施例：
[0039]
1、在步骤1中首先建立如图2所示的有限元模型，其中面板与加强筋采用merge连接。
[0040]
2、在步骤2中采用conwep算法利用关键字*load_blast_enhanced进行加载，边界条件利用关键字*spc进行四端固支约束，单元采用shell单元，并进行沙漏控制，利用关键字*mat结合状态方程*eos对材料进行赋予，其中材料的本构方程采用经典的johnson-cook方程，如下式(3)所示
[0041][0042]
相比如一般的双线性弹塑性模型，经典的johnson-cook方程考虑的参数更为复杂。其主要由三项构成，其中为应变强化项，为应变率强化项，为温度软化项；a、b、c、n、m为材料参数需事先通过实验测定；εe为等效塑性应变；表示无量纲塑性应变率；t
*
表示同系温度。最后提交进行显式动力学计算。
[0043]
3、在步骤3中利用关键字*damping和*define_curve设置临界阻尼数值，通过关键字*load_body_z和*define_curve进行重力加载，利用关键字*stress_intialization进行重启动设置，提交计算进行显式回弹分析，实现振动卸载。
[0044]
4、在步骤4中提取面板最大挠度点的三个方向主应力、塑性应变量、v-m应力。
[0045]
5、在步骤5中利用经典的johnson-cook方程进行累积损伤量的计算。
[0046]
所述johnson-cook失效模型和累积损伤方程分别由式(1)及式(2)给出：
[0047][0048]
其中，εf表示失效应变，σ*为应力三轴度，d1～d5分别为试验测得的材料的失效参数；表示无量纲塑性应变率，t*表示同系温度，t
room
为室温，t
melt
为金属的熔点；
[0049][0050]
其中，d为损伤量，
△
ε
p
为塑性应变的增量，当损伤量d》1时认为材料失效。
[0051]
6、在步骤6中进行损伤量的判断，利用重启动进行多次冲击计算，直到满足条件，进行输出。得到的不同冲击次数下的位移云图如图3所示。
[0052]
7、在步骤7中对得到的数据进行整理，利用最小二乘法进行曲线拟合，绘制冲击次数-损伤图。