冰在低温、冲击环境下的力学行为研究

In bad weather conditions, hailstone impact is a serious threat for integrity of aircraft structures. During the impact, due to short-time load, high deformation rate and high-altitude low-temperature environment, the dynamic mechanical behavior of ice is complex, which brings great difficulties in the numerical investigation of the viability problem for aircraft anti-impact. The U.S. ASTMF320 - 1994 standard provided a detailed method to simulate the impact of hail on aircraft by throwing ice ball, upon which the mechanical properties of ice under low-temperature, high strain rate and their coupling effect, have received widespread attentions. In this project, an improved split Hopkinson pressure bar (SHPB)with low-temperature test environment and the ice ball impact testing apparatus are employed in order to obtain the dynamic mechanical behavior of ice under different temperatures, different strain rates and their coupling effect, and to investigate the temperature and strain-rate dependence of the mechanical properties of ice. The dynamic constitutive relation and the equation of state including the affect of temperatures and strain rates would be established. Through high-speed camera observation and analysis, the change of failure modes by the influence of temperatures and strain rates will be explored. This investigation will offer a reference for the numerical simulation research of the aircraft structure safety design under hail impact; it can also provide a technical support for the ice impact research of the ice breaker and the offshore platform.

恶劣气象环境下，航空飞行器在停机坪、起降和飞行过程中冰雹撞击将会对飞行器结构安全造成严重的威胁。冰雹与航空器撞击过程中载荷作用时间短，变形速率高，且伴随有高空低温环境作用，其复杂的动态力学行为给航空器结构耐撞击生存力问题的数值仿真研究带来了极大的困难。美国ASTMF320-1994标准中明确规定采用投掷冰球的方法来模拟冰雹对航空器的撞击，因此冰在低温、高应变率及其耦合作用下的力学性能受到人们的关注。本项目采用新型带低温试验环境的Hopkinson压杆系统及冰球撞击实验装置获得冰在不同温度、不同应变率及其相互耦合条件下的力学行为，研究其力学性能对温度及应变率的依赖性及敏感性，结合高速摄像观测及分析，探索破坏模式受温度、应变率的影响，并建立计及温度、应变率在内的动态本构关系和状态方程，为航空飞行器结构冰雹撞击安全设计数值仿真研究提供参考，亦可为破冰船和海洋平台冰撞击问题的研究提供技术支持。

冰雹与高速飞行的航空飞行器撞击是一个潜在的威胁。目前，有关冰的力学性能的研究主要集中在静态力学性能上，对其在低温、高应变率作用下力学性能的认识还很不全面，亟需开展深入的研究工作。本项目以多晶冰为研究对象，研究在不同应变率下低温加载的试验技术，得到其低温环境下的力学性能，探讨了多晶冰在低温、高应变率耦合条件下的破坏机制，并建立了能够准确描述其力学行为的准静态和动态本构方程。项目主要研究内容和成果如下：.1）试验技术研究。采用波形整形技术使得冰试样在动态加载过程中达到应力平衡及恒应变率加载。自制温控系统，实现对试样温度的控制。.2）冰在低温加载情况下的准静态、动态力学性能和破坏机制研究。在-10℃~-30℃温度下，对多晶冰进行了应变率为10-4~102S-1范围内的单轴压缩实验。研究发现：冰的压缩强度具有明显的温度和应变率敏感性，随应变率的增大、温度的降低而提高；压缩强度与应变率对数呈线性关系，应变率的升高会增强降温对压缩强度的强化效应。准静态压缩荷载作用下，主要是由于试样内部微裂纹的扩展、汇聚、连通，致使试样发生破坏；而在冲击载荷作用下，应变能的突然释放，导致试样瞬间整体破碎。裂尖能量得不到及时释放、冰体内氢键强度和裂纹滑移摩擦阻力增大是导致冰破坏模式不同和压缩强度增大的原因。.3）冰的本构方程。随着应变率的增加，冰破坏模式发生转变，很难用一个本构模型来准确反映冰在不同应变率时的力学行为。依据应变率为2×10-4s-1、2×10-3s-1和1×10-2s-1的试验结果，拟合了与温度和应变率相关的非线性粘弹性本构模型，拟合结果和实验结果吻合较好。由于动态压缩实验得到的应力应变关系曲线大部分处于应力不均匀阶段，难以拟合得到多晶冰真实的动态本构方程。针对这一问题，利用冰球撞击试验和改进的BP神经网络，反演得到的多晶冰弹塑性流体动力学本构模型在撞击速度为86~154m/s范围内能较好的反映多晶冰的动态力学行为。