一种基于概率统计理论的飞机复合材料结构冲击能量截止值确定方法技术

一种基于概率统计理论的飞机复合材料结构冲击能量截止值确定方法，此方法填补商用飞机复合材料结构能量截止值确定方法的空白，改变了直接照搬空客波音经验数据的历史，旨在整个使用寿命期内保证结构完整性，在保证其安全可靠的前提下，采用概率统计理论，对飞机复合材料结构在组装、运营、维护期间的实际损伤数据进行全面研究，最终形成一套科学、完整、系统的能量截止值确定方法。

【技术实现步骤摘要】
一种基于概率统计理论的飞机复合材料结构冲击能量截止值确定方法
本专利技术涉及大型民用运输机复合材料结构冲击能量截止值确定方法，属于复合材料机体结构静强度、损伤容限设计方法和符合性认证方法。
技术介绍
在飞机整个使用寿命期间，复合材料主结构可能遭遇的最危险损伤是外来物意外冲击事件所产生的损伤。当复合材料主结构发生严重冲击损伤，直到损伤被发现前，其余结构应能承受合理的载荷而不发生破坏或过度的结构变形。基于以上的复合材料结构设计特点及要求，对于民用飞机复合材料结构设计，咨询通告AC20-107B中对结构损伤提出了明确而详细的强度要求：需进行损伤威胁评估，确定复合材料结构的损伤源、损伤形式、损伤类型及各部位的能量截止值，并试验和分析对比各类损伤情况及损伤对强度的影响，确定各种损伤分类及各类损伤的剩余强度要求。另外，损伤容限设计规范中也明确提出了冲击能量截止值的概念，冲击能量截止值与损伤可检门槛值成为复合材料结构损伤容限设计中两项重要参数。在飞机设计中，冲击能量截止值是对飞机在服役过程中冲击威胁评定得来的，因此对冲击威胁评定而得到冲击能量截止值是飞机结构损伤容限设计的必然要求。对于冲击能量截止值的确定，目前国际上通用的方法有确定性方法和概率半概率方法，FAA简单把外来物冲击情况分成三种威胁方案来描述，分别是高威胁方案、中威胁方案以及低威胁方案，这些方案都认为冲击能量按Weibull分布(见附图1)。图中假设了最常见的冲击能量水平和一个与稀有冲击事件对应的能量水平(100ft-lb即136J)，这种方法难以全面覆盖飞机复合材料主结构的真实情况。波音公司采用的是确定性方法，对于所有需要考虑的结构采用接近上边界截止值。波音公司对极限载荷采用了在飞机整个寿命期内，不超过10％的飞机所遭受冲击事件能量会等于或高于冲击损伤上限，对限制载荷分析则没有考虑冲击损伤能量水平的上限，这种方法带来了不必要的保守设计。由于复合材料商用飞机应用起步较晚，并未研发出标准的冲击能量截止值确定方法，大多借鉴波音空客的经验数据直接使用，这样不但不能真实反映飞机运营过程中的受冲击情况，而且可能带来过于保守的设计。本专利技术结合实际使用数据和概率统计方法来确定冲击能量截止值。
技术实现思路
针对以上问题，本专利技术创造提出了一种基于概率统计理论的飞机复合材料结构冲击能量截止值确定方法，此方法填补商用飞机复合材料结构能量截止值确定方法的空白，改变了直接照搬空客波音经验数据的历史，旨在整个使用寿命期内保证结构完整性，在保证其安全可靠的前提下，采用概率统计理论，对飞机复合材料结构在组装、运营、维护期间的实际损伤数据进行全面研究，最终形成一套科学、完整、系统的能量截止值确定方法。为了实现上述目的，本专利技术创造采用的技术方案为：一种基于概率统计理论的飞机复合材料结构冲击能量截止值确定方法，其特征在于，其步骤为：1)定义两个能量截止值出现的概率Pa以及能量截止值计算公式：Pa＝Po×Pe其中：Pa——每次飞行遇到能量E≥Eco的冲击概率；Po——冲击事件出现概率；Pe——冲击事件中损伤能量大于Eco的概率；2)收集服役飞机日常运营过程中的内外表面的使用损伤数据，按照可能的损伤源、损伤形式、损伤类型及部位进行分类、分析，得出金属机身的损伤威胁统计分析结果，建立损伤数据库；3)根据飞机结构在低速冲击载荷下的损伤过程与损伤机理，建立低速冲击有限元模型，选择材料本构关系，建立冲击能量与冲击损伤表征参数的定量关系；4)根据已知的能量冲击获得损伤尺寸，建立低速冲击试验方法，利用试验结果对分析模型进行验证；5)结合第三步建立的数值分析方法，外加使用试验验证修正，建立一套针对飞机结构由损伤信息逆推导冲击能量的方法，从而将获取的数据信息转化为冲击能量，进而确定飞机结构的冲击能量分布；6)对第五步确定的冲击能量水平分布进行概率统计分析，建立超越概率和冲击能量的关系，并且进行拟合获得能量概率模型Pe；7)获得损伤发生的概率Po，将Po以及第六步获得Pe带入第一步的计算公式计算得出冲击能量截止值。所述的步骤3)中，材料本构关系的选择方法具体为：由于金属受冲击过程有可能发生塑性变形，因此选择含有塑性特性的材料本构关系，依据手册或者试验结果获得弹塑性应力-应变曲线以表达材料本构关系。所述的步骤5)中，建立针对飞机结构由损伤信息逆推导冲击能量方法的具体步骤为：模拟冲击头冲击金属板的响应，对冲击头施加不同冲击速度以达到获取不同冲击能量的目的，进行一系列的冲击分析，当冲击获得的凹坑深度与数据库中的凹坑数据值吻合时，认为此时冲击能量为造成冲击损伤的能量。本专利技术创造的有益效果为：1)能够评估复合材料结构设计风险和可靠度；2)能够确定最优的复合材料结构冲击能量截止值，即结构静强度和损伤容限设计的最重要内容；3)有助于减少不必要的保守设计；4)形成一套适合我国未来商用飞机复合材料结构冲击能量截止值确定方法；5)专利技术可广泛应用于商用飞机复合材料结构冲击能量截止值确定工作，为复合材料结构设计、认证提供重要参考依据及理论支持。附图说明图1是FAA三种威胁方案概率密度曲线图。图2是冲击损伤能量截止值确定方法流程图。图3是损伤尺寸和能量水平门槛值关系曲线图。图4是四种机型的凹坑深度与超越次数关系曲线图。图5是冲击处接触力随时间变化曲线图。图6是低速冲击损伤分析模型图。图7是冲击能量与凹坑深度关系曲线图。图8是四种机型的能量水平与超越次数关系曲线图。图9是能量水平分布的概率统计拟合图。具体实施方式一种基于概率统计理论的飞机复合材料结构冲击能量截止值确定方法，其特征在于，其步骤为：1)定义两个能量截止值出现的概率Pa以及能量截止值计算公式：Pa＝Po×Pe其中：Pa——每次飞行遇到能量E≥Eco的冲击概率；Po——冲击事件出现概率；Pe——冲击事件中损伤能量大于Eco的概率；2)收集服役飞机日常运营过程中的内外表面的使用损伤数据，按照可能的损伤源、损伤形式、损伤类型及部位进行分类、分析，得出金属机身的损伤威胁统计分析结果，建立损伤数据库；3)根据飞机结构在低速冲击载荷下的损伤过程与损伤机理，建立低速冲击有限元模型，由于金属受冲击过程有可能发生塑性变形，因此选择含有塑性特性的材料本构关系，依据手册或者试验结果获得弹塑性应力-应变曲线以表达材料本构关系，建立冲击能量与冲击损伤表征参数的定量关系；4)根据已知的能量冲击获得损伤尺寸，建立低速冲击试验方法，利用试验结果对分析模型进行验证；5)结合第三步建立的数值分析方法，外加使用试验验证修正，建立一套针对飞机结构由损伤信息逆推导冲击能量的方法，具体为：模拟冲击头冲击金属板的响应，对冲击头施加不同冲击速度以达到获取不同冲击能量的目的，进行一系列的冲击分析，当冲击获得的凹坑深度与数据库中的凹坑数据值吻合时，认为此时冲击能量为造成冲击损伤的能量。从而将获取的数据信息转化为冲击能量，进而确定飞机结构的冲击能量分布；6)对第五步确定的冲击能量水平分布进行概率统计分析，建立超越概率和冲击能量的关系，并且进行拟合获得能量概率模型Pe；7)获得损伤发生的概率Po，将Po以及第六步获得Pe带入第一步的计算公式计算得出冲击能量截止值。实施例1：下面结合附图，对本专利技术具体实现过程进行详细描述。具体步本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于概率统计理论的飞机复合材料结构冲击能量截止值确定方法，其特征在于，其步骤为：1)定义两个能量截止值出现的概率Pa以及能量截止值计算公式：Pa＝Po×Pe其中：Pa——每次飞行遇到能量E≥Eco的冲击概率；Po——冲击事件出现概率；Pe——冲击事件中损伤能量大于Eco的概率；2)收集服役飞机日常运营过程中的内外表面的使用损伤数据，按照可能的损伤源、损伤形式、损伤类型及部位进行分类、分析，得出金属机身的损伤威胁统计分析结果，建立损伤数据库；3)根据飞机结构在低速冲击载荷下的损伤过程与损伤机理，建立低速冲击有限元模型，选择材料本构关系，建立冲击能量与冲击损伤表征参数的定量关系；4)根据已知的能量冲击获得损伤尺寸，建立低速冲击试验方法，利用试验结果对分析模型进行验证；5)结合第三步建立的数值分析方法，外加使用试验验证修正，建立一套针对飞机结构由损伤信息逆推导冲击能量的方法，从而将获取的数据信息转化为冲击能量，进而确定飞机结构的冲击能量分布；6)对第五步确定的冲击能量水平分布进行概率统计分析，建立超越概率和冲击能量的关系，并且进行拟合获得能量概率模型Pe；7)获得损伤发生的概率Po，将Po以及第六步获得Pe带入第一步的计算公式计算得出冲击能量截止值。...

【技术特征摘要】
1.一种基于概率统计理论的飞机复合材料结构冲击能量截止值确定方法，其特征在于，其步骤为：1)定义两个能量截止值出现的概率Pa以及能量截止值计算公式：Pa＝Po×Pe其中：Pa——每次飞行遇到能量E≥Eco的冲击概率；Po——冲击事件出现概率；Pe——冲击事件中损伤能量大于Eco的概率；2)收集服役飞机日常运营过程中的内外表面的使用损伤数据，按照可能的损伤源、损伤形式、损伤类型及部位进行分类、分析，得出金属机身的损伤威胁统计分析结果，建立损伤数据库；3)根据飞机结构在低速冲击载荷下的损伤过程与损伤机理，建立低速冲击有限元模型，选择材料本构关系，建立冲击能量与冲击损伤表征参数的定量关系；4)根据已知的能量冲击获得损伤尺寸，建立低速冲击试验方法，利用试验结果对分析模型进行验证；5)结合第三步建立的数值分析方法，外加使用试验验证修正，建立一套针对飞机结构由损伤信息逆推导冲击能量的方法，从而将获取的数据信息转化为冲击能量，进而确定飞机结构的冲击能量分布；6...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑双，贾大炜，支晗，刘旭，何续斌，黄文超，
申请(专利权)人：中航沈飞民用飞机有限责任公司，
类型：发明
国别省市：辽宁,21