Численное моделирование ударных повреждений льдом композитных панелей самолета

Авторы

Ле В. Т.

Новосибирский государственный технический университет, проспект К. Маркса, 20, Новосибирск, 630073, Россия

e-mail: tuanleviet86@gmail.com

Аннотация

Рассматривается численное решение задачи низкоскоростного удара частицей льда по композитной панели в среде LS-DYNA. Разработана модель материала льда с описанием подбора механических характеристик, приведено обоснование выбора метода гидродинамики сглаженных частиц (SPH) для моделирования частиц града. Модель материала льда позволяет имитировать его поведение при высоких скоростях деформации. Выбрана модель композитной пластины в среде LS-DYNA, позволяющая анализировать разрушение многослойных структур. Результаты численного расчета воздействия льда на композитную панель представлены в графическом виде. Приведено сравнение результатов расчета с данными экспериментов для подтверждения достоверности и применимости представленной модели.

Ключевые слова:

моделирование градa, метод SPH, ледяной удар, композитная пластина, разрушение, LS-DYNA

Библиографический список

1. Roeseler W.G., Sarh B., Kismarton M.U. Composite Structures: The First 100 Years // 16th International Conference on Composite Materials (8-13 July 2007; Kyoto, Japan).

2. Arias Á., López-Puente J., Loya J.A. et al. Analysis of high- speed impact problems in the aircraft industry // Constitutive Relations under Impact Loadings. 2014. Vol. 552, pp. 137–207.

3. Pernas-Sánchez J., Pedroche D.A., Varas D. et al. Numerical modeling of ice behavior under high velocity impacts // International Journal of Solids and Structures. 2012. Vol. 49. No. 14, pp. 1919–1927. DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2012.03.038

4. McQuigg T.D., Kapania R.K., Scotti S.J., Walker S.P. Compression after impact experiments on thin face sheet honeycomb core sandwich panels // Journal of Spacecraft and Rockets. 2014. Vol. 51. No. 1, pp. 253–266. DOI: 10.2514/1.A32427

5. Farooq U., Gregory K. Finite element simulation of low velocity impact damage morphology in quasi-isotropic composite panels under variable shape impactors // European Journal of Scientific Research. 2009. Vol. 25. No. 4, pp. 636–648.

6. Alves M., Chaves C.E., Birch R.S. Impact on aircraft // 17th International Congress of Mechanical Engineering (10-14 November 2003; So Paulo, SP).

7. Митряйкин В.И., Закиров Р.Х., Беззаметнов О.Н., Носов Д.А., Кротова Е.В. Неразрушающий контроль ударных и пулевых повреждений композиционных конструкций // Вестник Московского авиационного института. 2023. Т. 30. № 1. С. 227–239. DOI: 10.34759/vst-2023-1-227-239.

8. Render P.M., Pan H. Experimental studies into hail impact characteristics // Journal of Propulsion and Power. 1995. Vol. 11. No. 6, pp. 1224–1230. DOI: 10.2514/3.23961

9. Lavoie M.-A., Nejad Ensan M., Gakwaya A. Development of an efficient numerical model for hail impact simulation based on experimental data obtained from pressure sensitive film // Mechanics Research Communications. 2011. Vol. 38. No. 1, pp. 72–76. DOI: 10.1016/j.mechrescom.2010.07.014

10. Kim H., Kedward K.T. Modeling Hail Ice Impacts and Predicting Impact Damage Initiation in Composite Structures // AIAA Journal. 2000. Vol. 38. No. 7, pp. 1278–1288. DOI: 10.2514/2.1099

11. Meo M., Morris A.J., Vignjevic R., Marengo G. Numerical simulations of low-velocity impact on an aircraft sandwich panel // Composite Structures. 2003. Vol. 62. No. 3–4, pp. 353–360. DOI: 10.1016/j.compstruct.2003.09.035

12. Appleby-Thomas G.J., Hazell P.J., Dahini G. On the response of two commercially-important CFRP structures to multiple ice impacts // Composite Structures. 2011. Vol. 93. No. 10, pp. 2619–2627. DOI: 10.1016/j.compstruct.2011.04.029

13. Lavoie M.-A., Gakwaya A., Richard M.J. et al. Numerical and experimental modeling for bird and hail impacts on aircraft structure // In: Proulx T. (ed) Structural Dynamics. 2011. Conference Proceedings of the Society for Experimental Mechanics Series. Springer, New York, NY. Vol. 3, pp. 1403–1410. DOI: 10.1007/978-1-4419-9834-7_123

14. Olsson R., Juntikka R., Asp L.E. High velocity hail impact on composite laminates – Modelling and Testing // In: Abrate S., Castanié B., Rajapakse Y. (eds) Dynamic Failure of Composite and Sandwich Structures. Solid Mechanics and Its Applications. 2013. Vol 192, pp. 393–426. Springer, Dordrecht. DOI: 10.1007/978-94-007-5329-7_9

15. Pernas-Sánchez J., Artero-Guerrero J.A., Varas D., López- Puente J. Experimental analysis of ice sphere impacts on unidirectional carbon/epoxy laminates // International Journal of Impact Engineering. 2016. Vol. 96, pp. 1–10. DOI: 10.1016/j.ijimpeng.2016.05.010

16. Беззаметнов О.Н., Митряйкин В.И., Халиулин В.И., Марковцев В.А., Шаныгин А.Н. Оценка влияния ударных повреждений на прочность интегральных панелей из полимерных композиционных материалов при сжатии // Вестник Московского авиационного института. 2021. Т. 28. № 4. С. 78–91. DOI: 10.34759/ vst-2021-4-78-91

17. Schulson E.M. Brittle failure of ice // Engineering Fracture Mechanics. 2001. Vol. 68. No. 17–18, pp. 1839–1887. DOI: 10.1016/S0013-7944(01)00037-6

18. Anghileri M., Castelletti L.-M.L., Invernizzi F., Mascheroni M. A survey of numerical models for hail impact analysis using explicit finite element codes // International Journal of Impact Engineering. 2005. Vol. 31. No. 8, pp. 929–944. DOI: 10.1016/j. ijimpeng.2004.06.009

19. Carney K.S., Benson D.J., DuBois P., Lee R. A phenomenological high strain rate model with failure for ice // International Journal of Solids and Structures. 2006. Vol. 43. No. 25–26, pp. 7820–7839. DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2006.04.005

20. Hashin Z. Failure Criteria for Unidirectional Fiber Composites // Journal of Applied Mechanics. 1980. Vol. 47. No. 2, pp. 329–334. DOI: 10.1115/1.315366421

21. Tong L., Soutis C. (eds) Recent Advances in Structural Joints and Repairs for Composite Materials. – Dordrecht, Springer Netherlands, 2003, 254 p.