电脉冲除冰仿真方法及系统与流程

本发明涉及除冰仿真，尤其涉及一种对电脉冲除冰进行仿真的方法及系统。

背景技术：

1、针对飞机结冰，当前飞机防除冰技术主要分为被动防冰和主动除冰两类。电脉冲除冰作为一种机械式主动除冰技术，具有能量消耗低、结构简单、重量轻、通用性强、可靠性高等优点，能够满足飞机除冰安全性与低能耗环保性要求，具有广泛的应用潜力。

2、电脉冲除冰系统如图1所示，其基本工作原理为：电流诱导线圈产生电磁场，从而在飞机蒙皮瞬时激发成百上千牛的脉冲排斥力。飞机蒙皮在电脉冲排斥力的激励下发生形变，并将冲击、振动载荷传递至蒙皮表面覆冰，使冰层发生脱落，最终达到除冰目的。

3、电脉冲防除冰技术的发展与应用离不开数值仿真，模拟冰脱落过程以及预测除冰效果对电脉冲除冰系统的研制有重要的指导意义。精准的防除冰仿真模型能够帮助人们迅速的完成防除冰系统设计、分析与优化工作。复杂结构的解析理论计算通常非常繁琐，因此采用数值方法进行求解较为简捷。有限元方法(finite element method)通过把复杂的微分方程组离散为线性方程组求解，可获取电脉冲除冰时蒙皮及冰层的应力、应变响应，并基于损伤力学原理对除冰过程进行模拟仿真。

4、现有技术专利202110547007.5公开一种基于近场动力学理论的飞机电脉冲除冰模拟方法，首先建立电脉冲除冰系统的数值模型，模拟高应变率状态下冰层与蒙皮的动力学响应，构建距离加权的双材料界面模型，模拟冰层与铝制蒙皮间的相互作用。考虑到冰在基底上附着能力存在各向异性，将界面键分为界面剪切键和界面拉伸键两类，推导了两种键临界伸长率的数值求解方法，利用两种键不同的临界伸长率模拟了冰在基底上的抗拉能力和抗剪能力。基于界面键的损伤模型，构建了单个冰质点的剥离率和界面冰层剥离率的表达式作为 电脉冲除冰效果的一个指标。该方法仅考虑了冰层与蒙皮界面之间的脱粘，未考虑冰层断裂对冰脱落的影响。因此，该仿真方法模拟出来的除冰效果与真实效果之间存在差异，且不能用于分析与冰层断裂相关的物性参数对防除冰效果的影响规律，不能满足防除冰仿真的精准性要求和考察变量全面性要求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种电脉冲除冰仿真方法及系统，通过对冰层断裂以及冰层与蒙皮界面脱粘情况的同时考虑，使得仿真结果更加准确，并能全面考察分析冰层断裂、冰层与蒙皮界面脱粘相关联的物性参数对防除冰效果的影响规律。

2、为了解决上述所提到的技术问题，本发明提供一种电脉冲除冰仿真方法，包括：

3、s1构建除冰有限元基础模型，所述除冰有限元基础模型包括蒙皮以及冰层；

4、s2对有限元基础模型施加模拟电脉冲除冰载荷；

5、s3建立有限元方程，并求解出在模拟电脉冲除冰载荷作用下冰层、冰层/蒙皮界面的应力和应变；

6、s4通过冰层的应力和应变、冰层/蒙皮界面的应力和应变进行冰层脱落判断，并将发生冰层脱落的单元删除；所述冰层脱落判断的方法包括：

7、判断冰层是否发生断裂；

8、判断冰层/蒙皮界面是否发生脱粘；

9、若判断出所述冰层发生断裂，或/和所述冰层/蒙皮界面发生脱粘，判定所述冰层脱落；

10、s5重复步骤s3-s4，直到达到预定的除冰仿真时间阈值。

11、作为一种改进，所述构建除冰有限元模型的方法包括：

12、构建蒙皮及冰层的几何模型；

13、输入蒙皮及冰层的材料属性；

14、将蒙皮及冰层的几何模型进行网格化；

15、为蒙皮及冰层的几何模型设置边界条件。

16、作为一种改进，所述对有限元模型施加模拟电脉冲除冰载荷的方法包括：模拟电脉冲产生的冲击载荷施加在蒙皮中心区域，设置电脉冲最大冲击力、持续时间、电脉冲载荷随时间的变化形式以及除冰总时间。

17、作为一种改进，所述判断所述冰层是否发生断裂的方法包括：

18、判断所述冰层是否出现初始裂纹，若公式

19、

20、成立，则冰层出现初始裂纹，其中为冰层拉伸应力，为冰层断裂强度；

21、判断裂纹是否扩展至冰层断裂的程度，若公式

22、

23、成立，则冰层发生断裂，其中为断裂能，为裂纹出拉伸应力，为裂纹开口位移，∫为积分运算符号，为微分运算符号。

24、作为一种改进，所述判断冰层与蒙皮界面是否脱粘的方法包括：

25、若公式

26、

27、成立，则界面脱粘；其中为冰层/蒙皮界面法向应力，为冰层/蒙皮界面层间剪切应力，为冰层/蒙皮界面法向粘附强度，为冰层/蒙皮界面剪切粘附强度，、分别为冰层/蒙皮界面法向粘附强度系数、冰层/蒙皮界面剪切粘附强度系数。

28、本发明还提供一种电脉冲除冰仿真系统，包括：

29、模型构建模块，用于构建除冰有限元基础模型；所述除冰有限元基础模型包括蒙皮以及冰层；

30、电脉冲模拟模块，用于对有限元基础模型施加模拟电脉冲除冰载荷；

31、应力和应变计算模块，用于建立有限元方程，并求解在电脉冲除冰载荷作用下有限元基础模型中的冰层、冰层/蒙皮界面的应力和应变；

32、冰层脱落判断模块，用于通过冰层的应力和应变、冰层/蒙皮界面的应力和应变进行冰层脱落判断，并将发生冰层脱落的单元删除；所述冰层脱落判断模块包括用于冰层是否发生断裂的冰层断裂判断模块和用于判断冰层/蒙皮界面是否脱粘的冰层/蒙皮界面脱粘判断模块。

33、作为一种改进，所述模型构建模块包括：

34、几何模型构建模块，用于构建蒙皮及冰层的几何模型；

35、材料属性输入模块，用于输入蒙皮及冰层的材料属性；

36、网格化模块，用于将蒙皮及冰层的几何模型进行网格化；

37、边界条件设置模块，用于为蒙皮及冰层的几何模型设置边界条件。

38、作为一种改进，所述电脉冲模拟模块包括：

39、电脉冲发生模块，用于模拟电脉冲产生的冲击载荷，并施加在蒙皮中心区域；

40、参数设置模块，用于设置电脉冲最大冲击力、持续时间以及除冰仿真总时间。

41、作为一种改进，所述冰层脱落判断模块包括：

42、初始裂纹判断模块，用于判断冰层是否出现裂纹，若公式

43、

44、成立，则冰层出现裂纹，其中为冰层拉伸应力，为冰层断裂强度；

45、裂纹程度判断模块，用于判断裂纹是否达到使得冰层断裂的程度，若公式

46、

47、成立，则冰层断裂，其中为断裂能，为裂纹出拉伸应力，为裂纹开口位移，∫为积分运算符号，为微分运算符号。

48、作为一种改进，所述冰层/蒙皮界面脱粘判断模块用于判断冰层与蒙皮界面是否脱粘，

49、若公式

50、

51、成立，则界面脱粘；其中为冰层/蒙皮界面法向应力，为冰层/蒙皮界面层间剪切应力，为冰层/蒙皮界面法向粘附强度，为冰层/蒙皮界面剪切粘附强度，、分别为冰层/蒙皮界面法向粘附强度系数、冰层/蒙皮界面剪切粘附强度系数。

52、本发明的有益之处在于：

53、尽管当前电脉冲除冰仿真研究已开展了许多工作，但目前防除冰模型仅局限于冰层/蒙皮界面应力对冰脱落的作用，忽略了冰层自身断裂的影响，仿真方法尚不够精细，仿真结果也不够准确，也无法全面分析冰层断裂物性参数及界面脱粘物性参数对除冰效果的影响规律。针对以上问题，本发明综合考虑冰层/蒙皮界面脱粘与冰断裂对冰脱落的影响，建立了一种考虑冰层断裂与界面脱粘的电脉冲除冰仿真方法。本发明提出的电脉冲除冰仿真方法能够更为合理、准确的预测电脉冲除冰效果，并可以全面分析冰层断裂物性参数及界面脱粘物性参数对除冰效果的影响规律，为电脉冲除冰系统设计提供更精细化的设计方法支撑。