一种蜂窝夹层结构穿孔损伤修理容限值的快速确定方法技术

本发明专利技术属于直升机结构修理技术领域，具体涉及一种蜂窝夹层结构穿孔损伤修理容限值的快速确定方法，进行复合材料蜂窝夹层结构的ABAQUS建模，得到修理模型；编写ABAQUS脚本，实现修理模型参数化；在满足100％强度恢复率的基础上，通过优化关键参数，实现修理结构重量最小化，得到含穿孔损伤蜂窝夹层结构的贴补修理优化数学模型；使用NSGA

【技术实现步骤摘要】
一种蜂窝夹层结构穿孔损伤修理容限值的快速确定方法


[0001]本专利技术属于直升机结构修理
，具体涉及的一种蜂窝夹层结构穿孔损伤修理容限值的快速确定方法。

技术介绍

[0002]复合材料蜂窝夹层结构在直升机等航空飞行器上应用较为普遍，其在使用过程中很可能遭受地面砂石撞击、冰雹撞击、鸟撞、弹击、地面设备碰撞而产生穿孔损伤。如何准确、快速地确定损伤是否为允许损伤、可修理损伤和不可修理损伤，特别是可修理损伤与不可修理损伤之间的界限(即修理容限的上限)，对工程界而言非常重要。
[0003]修理容限上限如设置不合理，会出现两种结果：如果把修理容限上限设置得过高，遇到实际无法修理的损伤，都认为能通过修理来恢复其原有性能，就会带来结构安全隐患。修理容限上限如果设置得过于保守，则实际可修理的损伤都采取更换或报废的方式处理，会造成经济损失。
[0004]现有技术中，公开的专利主要有层合板、复合材料结构的修理容限确定方法。其中，专利CN202110181634.1中介绍了一种复合材料层合板修理容限确定方法，即结合设计许用应变值，运用静态试验与ABAQUS仿真相结合的方法，得到修理容限下限和上限。
[0005]专利CN202111238101.9中介绍了一种复合材料结构件的修理容限确定方法，即运用基于贝叶斯理论的失效概率与维修成本评估相结合方法，从安全性角度确定修理下限，从经济性角度确定修理上限。
[0006]上述专利主要描述了一些复合材料结构的修理容限确定方法，但是专利CN202110181634.1仅适用于含孔损伤层压板的修理，采用对不同损伤程度损伤件修复后进行试验及仿真的方法确定修理容限上限，缺少修理方案优化设计的过程，专利CN202111238101.9适用于复合材料结构的修理，重点从失效概率和维修经济性的角度，采用多次仿真求解失效概率和维修成本均值的方法确定修理容限上限，没有从强度分析角度优化修理设计方案。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的：为复合材料蜂窝夹层结构提供一种可用于穿孔损伤的修理容限确定方法，既能获得不同穿孔损伤的修理优化方案，又可实现修理容限(上限)的快速确定。
[0008]本专利技术的技术方案：一种蜂窝夹层结构穿孔损伤修理容限值的快速确定方法，所述方法包括以下步骤：
[0009]步骤S1、进行复合材料蜂窝夹层结构的ABAQUS建模，得到修理模型；
[0010]步骤S2、用Python语言编写ABAQUS脚本，实现修理模型参数化；
[0011]步骤S3、在满足100％强度恢复率的基础上，通过优化关键参数，实现修理结构重量最小化，得到含穿孔损伤蜂窝夹层结构的贴补修理优化数学模型；
[0012]步骤S4、使用NSGA
‑
II遗传算法，实现修理方案快速优化；
[0013]步骤S5、在结合NSGA
‑
II遗传算法的修理方案快速优化基础上，采用modeFRONTIER多目标优化软件通过Python语言的调用功能，来驱动ABAQUS内核的自动建模，进而集成建立确定蜂窝夹层结构穿孔损伤修理容限上限的流程；
[0014]步骤S6、采用二分法改变穿孔损伤半径R，进行修理容限上限的确定；具体的，当修理优化方案结果符合约束条件时，则扩大穿孔损伤半径R，若扩大后的穿孔损伤半径R仍符合约束条件，则进一步扩大穿孔损伤半径R，直达无法符合约束条件才截止；然后反向减少穿孔损伤半径R，即在不满住约束条件的最小穿孔损伤半径R和满足约束条件的最大穿孔损伤半径R之间取中间值，开展循环计算，分别得不同穿孔损伤半径R的修理优化方案结果，根据在符合约束条件的前提下，通过结构修理优化不能进一步扩大的穿孔损伤半径为该蜂窝夹层结构穿孔损伤修理容限上限这一判定准则，得出其最终的修理容限上限。
[0015]进一步的，在步骤S3中，所述关键参数至少包括修理补片铺层的大小、角度、层数。
[0016]进一步的，步骤S6中，循环计算是有顺序地重复上面的确定修理容限上限流程，即步骤S4至S6。
[0017]本专利技术的有益效果：采用本专利技术中ABAQUS有限元软件和modeFRONTIER多目标优化软件的集成化与Python语言有限元模拟建模的参数化、自动化以及NSGA
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II遗传算法，能大幅度提高结构修理方案优化的计算效率，从而可较快确定出复合材料蜂窝夹层结构穿孔损伤修理容限(上限)。同时，该方法可拓展用于各类蜂窝夹层结构单面穿孔损伤、大面积板芯脱粘损伤、面板划伤等多种损伤模式下的结构修理容限(上限)的确定。
[0018]本专利技术至少具备以下优点：
[0019]1、在进行结构修理优化和修理容限(上限)确定时，能够不需要针对结构修理方案做遍历求解，只需要计算少量算例，即可快速求得最优解，显著减少了计算量，具有高效性。例如：假设穿孔损伤半径R为30mm，内外修理铺层为4层，寻优时R1步长为1mm，l步长为5mm，θ
n
或θ
′
n
步长为15
°
，且R1比R大10mm到15mm，l为10mm到25mm，θ
n
或θ
′
n
为
‑
45
°
到45
°
，则要进行153664种组合计算(仅修理补片铺层角度的组合有2401种)，才得出最佳修理优化方案，然而利用该算法，仅要计算237种组合；
[0020]2、该修理容限(上限)的快速确定方法具有普适性，能适用于其它复合材料结构的损伤形式；
[0021]3、形成了一种相对完整的蜂窝夹层结构穿孔损伤修理容限(上限)确定流程与方法。
附图说明
[0022]图1为复合材料蜂窝夹层结构；
[0023]图2为含穿孔损伤的蜂窝夹层结构；
[0024]图3为修理补片铺层(参数)的几何设置；
[0025]图4为确定蜂窝夹层结构穿孔损伤修理容限(上限)的流程图。
具体实施方式
[0026]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部实施例。基于本
专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0027]参见附图1
‑
4，本专利技术具体提出的一种蜂窝夹层结构穿孔损伤修理容限值的快速确定方法，所述方法的实施过程包括以下步骤：
[0028]首先，进行复合材料蜂窝夹层结构1(如图1所示)的ABAQUS建模，建模过程如下：
[0029]步骤一：采用S4R壳单元模拟外面板2和内面板3，用二维Hashin准则作为面板损伤起始和演化判据；
[0030]步骤二：通过三明治夹芯板理论将蜂窝芯子4等效成一个均匀连续且等厚度的正交各向异性层，并用C3D8R实体单元模拟，赋予三维工程常数属性和方向；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种蜂窝夹层结构穿孔损伤修理容限值的快速确定方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤S1、进行复合材料蜂窝夹层结构的ABAQUS建模，得到修理模型；步骤S2、用Python语言编写ABAQUS脚本，实现修理模型参数化；步骤S3、在满足100％强度恢复率的基础上，通过优化关键参数，实现修理结构重量最小化，得到含穿孔损伤蜂窝夹层结构的贴补修理优化数学模型；步骤S4、使用NSGA
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II遗传算法，实现修理方案快速优化；步骤S5、在结合NSGA
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II遗传算法的修理方案快速优化基础上，采用modeFRONTIER多目标优化软件通过Python语言的调用功能，来驱动ABAQUS内核的自动建模，进而集成建立确定蜂窝夹层结构穿孔损伤修理容限上限的流程；步骤S6、采用二分法改变穿孔损伤半径R，进行修理容限上限的确定。2.如权利要求1所述的蜂窝夹层结构穿孔损伤修理容限值的快速确定方法，其特征在于，步骤S1中建模过程具体包括：步骤一：采用S4R壳单元模拟外面板和内面板，用二维Hashin准则作为面板损伤起始和演化判据；步骤二：通过三明治夹芯板理论将蜂窝芯子等效成一个均匀连续且等厚度的正交各向异性层，并用C3D8R实体单元模拟，赋予三维工程常数属性和方向；步骤三：用绑定约束面板
‑
蜂窝芯子之间以及面板
‑
面板层压区之间的结构胶膜；步骤四：在无损伤模型的中央挖去穿透圆孔，模拟半径为R的穿孔损伤；步骤五：用S4R壳单元模拟修理补片；步骤六：用内聚力单元界面接触模拟修理补片胶膜，并用二次名义应力准则预测初始损伤和用B
‑
K准则进行损伤演化分析；步骤七：用绑定约束模拟发泡胶；步骤八：用C3D8R实体单元模拟蜂窝芯塞，并赋予三维工程常数属性和方向；步骤九：先初步评估受损复合材料蜂窝夹层结构可能承受的最严酷载荷工况，并定义相应的边界条件；步骤十：模拟评估出无损伤模型的强度，为后面的修理方案优化确定出一个基准值；步骤十一：模拟评估出含穿孔损伤模型和修理模型的强度。3.如权利要求1所述的蜂窝夹层结构穿孔损伤修理容限值的快速确定方法，其特征在于，步骤S2中，用Python语言编写ABAQUS脚本包括：步骤S21、def Ct(self,lm,lp,lh＝R):#定义函数Ct()，用于执行前处理与提交计算工作；步骤S22、s.RadialDimension(,,radius＝R1)#第一层修理铺层半径R1的几何创建，且搭接长度l、穿孔损伤半径R的创建与其相似；步骤S23、compositeLayup.CompositePly(,,orientationValue＝θn,,)#修理铺层角度θn在模型的几何建立；步骤S24、p.generateMesh()#进行模型网格的划分；步骤S25、rf＝region.historyOutputs['RF1'].data#读取有限元模拟分析的破坏载荷F；
步骤S26、ms＝myodb.steps['Step
‑
1'].mass#读取有限元模拟分析的修理结构重量M；步骤S27、def getIVal(self):#定义函数getIVal()，获取输入文件中修理补片铺层参数的具体值；步骤S28、def wrtVal(self,v):#定义函数wrtVal()，将破坏载荷F和修理结构重量M写入输出文件。4.如权利要求1所述的蜂窝夹层结构穿孔损伤修理容限值的快速确定方法，其特征在于，在步骤S3中，所述关键参数至少包括修理补片铺层的大小、角度、层数。5.如权利要求1或4所述的蜂窝夹层结构穿孔损伤修理容限值的快速确定方法，其特征在于，在步骤S3中，含穿孔损伤蜂...

【专利技术属性】
技术研发人员：张富强，李俊，唐江光，
申请(专利权)人：中国直升机设计研究所，
类型：发明
国别省市：