玻璃纤维复合材料雷击破损仿真与试验.pdf

　４２　玻璃纤维复合材料雷击破损仿真与试验　玻璃纤维复合材料雷击破损仿真与试验　　　　　赵金龙，陈晓宁，张云生，张彬　　　　（解放军理工大学国防工程学院，南京２１０００７）　　　　　　　　　　　　　摘要：采用理论推导、仿真分析与试验验证相结合的方式，研究飞机复合材料夹芯板的雷击破损机理和破损状态，为飞机　的防雷设计提供依据。通过建立热一电一力耦合物理场复合材料板的三维有限元模型，按结构和作用过程分步进行飞机复合材　料雷击效果仿真分析，研究复合材料板遭到雷击后的破损机理以及可能出现的破损状态。通过冲击电流发生器进行模拟雷电　试验，观察复合材料板的雷击效果，并与仿真结果相对比，验证了仿真办法的有效性和仿真结果的正确性。　　　　关键词：复合材料；有限元；耦合物理场；数值仿真；模拟雷电试验　　　中图分类号：ＴＢ３３２；Ｖ２５８．３　　文献标识码：Ａ　　文章编号：１００３－０９９９（２０１５）０１－００４２－０６　　　　　雷电是一种高电压和大电流的自然放电现象，　　在地球大气层中，平均每天发生约８００万次闪电，由　　雷击引起的飞行事故也时有发生。有资料显示，一　　　　架飞机平均每３０００飞行小时就有一次遭雷击的机　会¨’　　　　　　。随着科技的进步和制造业的蓬勃发展，复　　　合材料大量应用于先进飞机的生产设计之中，某些　　　　　飞机的复合材料使用量可达２５％左右，直升机的复　　　　合材料最高用量可达５０％［３１。复合材料具有比强　　度大、比模量高、抗疲劳眭能好、耐腐蚀、可设计性强　　　　等许多优异的特性＿４；但是，复合材料的导电性能极　　　　　　　　差，碳纤维复合材料的导电性大约比铝小１０００倍，　　玻璃和芳纶纤维复合材料是完全不导电的Ｊ，它们　在遭到雷击后会产生大面积损坏。复合材料的大量　　应用使得飞机的雷电防护问题变得更为复杂，该问　　　题受到了航空界的普遍重视。　飞机复合材料遭受雷电电流的冲击破坏是一个　　　　涉及了电、热、力、磁的复杂过程，作用时问很短。从　　目前已有的文献资料来看，人们对于飞机复合材料　　　雷击问题的研究主要可分为基础理论、仿真和试验　　　　　　　　等几个方面。目前，基础理论的研究较为完善，　而仿真和试验方面的研究较少。飞机雷电试验主要　　　有工程试验、鉴定试验和整机试验ｊ，该类试验成本　　　较高、难度较大且过程复杂，不易于进行。仿真分析　　　则主要以雷击的热效应为研究重点，或对损伤机理　　　进行数值模拟分析，或对损伤区域和损伤模式进行　　　　　　对比分析，或分析雷击电流的脉冲波形对损伤的影　　　　　　响Ｊ，且采用仿真．试验对比验证的案例很少，其　　结果的正确性难以保证。　　　本文针对上述问题，全面考虑复合材料在雷击　　　过程中的热、电、力及其耦合问题，采用有限元方法，　　对复合材料由于雷电流的破坏作用而可能产生的形　　　变情况进行了三维仿真分析，并通过模拟雷电试验　　得到复合材料在遭到雷击后的损坏状态，从而验证　　仿真分析的正确性。　　１雷击数值模拟　　１．１材料属性与参数　　　本文分析采用的样品板为复合材料夹芯板，主　　　要由以下几部分构成：　　　　　（１）玻璃纤维增强树脂基复合材料面板，尺寸　　　　　为６０￣６０ｅｍ，厚度为５ｒａｍ，面板由４０层单层结构组　　　　成，宏观特性表现为准正交各向异性；　　　（２）纸质蜂窝芯材，宏观特性近似表现为各向　　同性。　　　此外，复合材料面板表面附有一层玻璃布，芯材　　　和面板中间为一层胶粘剂，边框为封闭的铝合金条。　　　由于单层结构是构成复合材料板的基本单元，　　并且具有正交各向异性的特征¨　　，与多层复合材料　　　　　板的宏观特性表现一致。此外，有文献¨　　　研究表　明，复合材料层合板的顶层板的特性决定了整个层　　　合板在遭受雷电流作用后的损伤状况，即层合板的　　　　受损情况与顶层板的受损情况一样。因此，本文在　　——　收稿日期：２０１３１０１６　　　　　　　作者简介：赵金龙（１９８９一），男，硕士研究生，主要研究方向为飞机闪电防护，ｚｊｌ７６７６８８６１２＠１６３．ｅｏｍ。　　　Ｆ盼狮　　２０１５年第１期　　　　　　　玻璃钢／复合材料　４３　　　　　仿真中采用的模型为单层结构，模型的参数设置如　　　　　　　　　　表１所示，其中，Ｅ为弹性模量，为泊松比，Ｇ为剪　　切模量。　　　表１弹性性能参数表　　　　　　　　Ｔａｂｌｅ１Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｅｌａｓｔｉｃ　　　１．２数值仿真的分析办法与步骤　　　　本文采用的数值仿真计算软件为ＣＳＴＥＭＳｔｕｄｉｏ　　和ＣＯＭＳＯＬ。上述两种软件均基于有限元方法。有　限元方法是以变分原理为基础吸收差分格式的思想　　　发展起来的一种数据解法。有限元法的最大优点是　　　　其离散单元的灵活性。有限元法可以精确地模拟各　　　　种复杂的几何结构，并通过选择取样点的疏密程度　　　　适应场分布的不同情况，既能保证计算精度的要求，　　　　又不增加过大的计算量；另一大优点是所形成的有　　　限元方程组的系数矩阵是稀疏的、对称的，这非常有　　　　利于代数方程组的求解。　　本文的数值仿真工作主要分为以下三个部分。　第一部分：对复合材料板进行静电感应分析，确定复　　　合材料板在雷击过程中的雷击附着点位置；第二部　　　分：对薄板进行雷电流分量作用效果仿真，模拟分析　　薄板在击穿过程中热量的作用下产生的应力和应变　　　　　情况；第三部分：对薄板进行压力作用效果仿真，等　　效、近似地分析薄板在受到雷电通道作用力后产生　　　的应力和应变情况。通过上述分析工作，得出复合　　材料板在遭受雷击后可能出现的损伤状态。　　　　１．３数值仿真的载荷分析　　１．３．１雷电流分量　　　　雷电流将复合材料薄板击穿时，根据固体介质　　　　电击穿的原理和物理过程，击穿产生的热量会在薄　板内传递，薄板会随之产生应力，发生形变。根据　　ＳＡＥＡＲＰ５４１２中的规定，雷电流直接效应仿真分析　　　　　采用的标准电流波形如图１（ａ）所示，其中，电流分　　　　　　量Ａ是雷电流初始附着的主要波形，也是雷击直接　　　　效应试验波形，如图１（ｂ）所示。　　　—　　｝。叶ｍｓ十一０２５一十脚ｓ＿　时间　　　（ａ）标准模拟雷电流电流波形　　　　　（ａ）Ｓｉｍｕｌａｔｅｄｎｏｒｍａｔｉｖｅｌｉｇｈｔｉｎｇｃｕｒｒｅｎｔｗａｖｅｆｏｒｍｓ　　羹ｓ　　脚　１ｌ　２　时间　　（ｂ）雷电流分量Ａ波形　　　　（ｂ）ＬｉｇｈｔｎｉｎｇｃｕｒｒｅｎｔｃｏｍｐｏｎｅｎｔＡ　　　图１雷电直接效应试验波形图　　　　　　　　　　Ｆｉｇ．１Ｔｈｅｗａｖｅｆｏｒｍｓｏｆｌｉｇｈｔｎｉｎｇｄｉｒｅｃｔｅｆｆｅｃｔｔｅｓｔ　　　电流分量Ａ的表达式为：　　　　（ｔ）＝１０（ｅ～一ｅ）　（１）　　式中，Ｉｏ＝２１８８１０Ａ；Ｏｔ＝１１３５４ｓ～；＝６４７２６５ｓ～；　　　　　　作用时间ｔ￣＜５００１ｘｓ。图１（ｂ）中为雷电流达到峰　　　　　　　　值的时间；为雷电流从开始到衰减为５０％峰值的　　时间。Ａ的作用积分（比能）Ｗ表达式为：　　　　Ｗ＝ｄｔ　（２）　Ｊ　其值为２×　　ｌ０（Ａ×　ｓ），它是衡量破坏程度的关　　键因素，取决于系统中能量的储备或吸收。　　１．３．２作用力载荷　　　前文已提出，复合材料遭受雷击的过程涉及了　　电、热、力、磁等问题。在闪电作用过程中，闪电冲击　　　　电流会在电离的雷电先导通道流过，该通道因为雷　　　　　电能量的不断输入使其充分加热、膨胀，进而会　对阻碍通道扩张的介质产生较大压力。复合材料薄　　　　　　　　　　　　　　板在遭受雷击时，由于雷电温度会高达６０００～　ＩＯ０００￣Ｃ［１，　　　　　薄板雷击附着点区域及附近的基体材　ｌ１Ｉ　｜　　　２０１５年第１期　　　　　　　玻璃钢／复合材料　４７　ｌ一４．　［４］纪朝辉，马倩倩，王志平，等．飞机复合材料雷击防护层设计与应　　　—　用［Ｊ］．宇航材料工艺，２０１０，（５）：５０５４．　　　　［５］赵金龙，陈晓宁，耿勇，等．浅析飞机复合材料雷击防护措施与试　验［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２０１３，（６）：４０－４３．　［６］温浩，王宏．飞机模型雷击试验分析研究［Ｊ］．高压电器，２０１１，—　４７（７）：１０４１０７．　　　［７］赵玉龙，刘光斌，余志勇．飞行器雷击附着点数值仿真研究［Ｊ］．　　—　微波学报，２０１２，２８（４）：３９４２．　　　　　　　　　［８］熊秀，骆立峰，范晓宇，等．飞机雷电直接效应综述［Ｊ］．飞机设　　计，２０１１，３１（４）：６４．６８．　　　　　　　　　　［９］郭勇．飞行器直接、间接效应试验研究［Ｄ］．成都：电子科技大　　学。２００７．　　　　　—　［１０］ＯｇａｓａｗａｒａＴ，ＨｉｒａｎｏＹ，ＹｏｓｈｉｍｕｒａＡ，ｅｔａ１．Ｃｏｕｐｌｅｄｔｈｅｒｍａｌｅ－　　　　　　　　—　ｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓｆｏｒｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒ／ｅｐｏｘｙｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｅｘｐｏｓｅｄｔｏｓｉｍ　　　　　　ｕｌａｔｅｄｌｉｇｈｔｉｎｇｃｕｒｒｅｎｔ［Ｊ］．ＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓＰａｒｔＡ：ＡｐｐｌｉｅｄＳｃｉｅｎｃｅ　　ａｎｄｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，２０１０，４１（８）：９７３－９８１．　　　　　　　　　　　　　［１１］丁宁，赵彬，刘志强，等．复合材料层合板雷击烧蚀损伤模拟　—　［Ｊ］．航空学报，２０１３，３４（２）：３０１３０８．　　　　　　　［１２］ＨｉｒａｎｏＹ，ＫａｔｓｕｍａｔａＳ，１ｗａｈｏｒｉＹ，ｅｔａ１．Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌｌｉｇｈｔｉｎｇｔｅｓｔｉｎｇ　　　　　—　ｏｎｇｒａｐｈｉｔｅ／ｅｐｏｘｙｃｏｍｐｏｓｉｔｅｌａｍｉｎａｔｅ［Ｊ］．ＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓＰａｒｔＡ：Ａｐ　　　　ｐｌｉｅｄＳｃｉｅｎｃｅａｎｄｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，２０１０，４１（１Ｏ）：１４６１－１４７０．　　［１３］黄立新，李双蓓，周小军．正交各向异性复合材料结构的材料参　数识别的研究进展［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２００６，（４）：４６．４９．　　　　［１４］宋双．飞机雷击附着区域划分数值仿真研究［Ｄ］．南京：解放军　—　理工大学，２０１２．１２２９．　　［１５］Ｆｉｓｈｅｒ，Ｆ．Ａ．，Ｐｌｕｍｅｒ，Ｊ．Ａ．，Ｐｅｒａｌａ，Ｒ．Ａ．．ＡｉｒｃｒａｆｔＬｉｇｈｔｎｉｎｇ　　ＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎＨａｎｄｂｏｏｋ［Ｍ］．　　　　　　　　　　［１６］孔祥欣．谈雷电火灾的发生及预防对策［Ｊ］．科技创新导报，—　２０１１，（２１）：５５５６．　　　　　　　　　　［１７］李玮，段成红，吴祥．碳纤维复合材料强度的有限元模拟［Ｊ］．　—　玻璃钢／复合材料，２０１１，（１）：２０２３．　　　　　　　　　　［１８］张明霞．雷电电磁场计算方法及沿地表传播特性的研究［Ｄ］．　　　—　北京：华北电力大学，２００９．５１０．　　［１９］高成，宋双，史振华，等．飞机复合材料结构对雷击附着点的影　—　响［Ｊ］．解放军理工大学学报，２０１３，１４（２）：２２７２３１．Ⅱ　　　　’　　　’　　　　　　　　　ＳＵＬＡＴＩｏＮＡＮＤＴＥＳＴ＿ｏＲＴＨＥＬＩＧＨＩＮＩＮＧＤＡＭＡＧＥｏＦＴＨＥＧＬＡＳＳＦＩＢＥＲＣＯＭＰＯＳＩＴＥＳ　—　　　　　ＺＨＡＯＪｉｎｌｏｎｇ，ＣＨＥＮＸｉａｏ－ｎｉｎｇ，ＺＨＡＮＧＹｕｎ－ｓｈｅｎｇ，ＺＨＡＮＧＢｉｎ　　　　　　　　（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＤｅｆｅｎｃｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＰＬＡＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１０００７，Ｃｈｉｎａ）　　　　　　　　　　　　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｄｅｄｕｃｉｎｇ，ｓｉｍｕｌａｔｅｄｌｉｇｈｔｎｉｎｇｔｅｓｔａｎｄｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｒｅｕｓｅｄｔｏｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅ　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍａｎｄｓｔａｔｅｏｆｌｉｇｈｔｎｉｎｇｄａｍａｇｅｏｆｔｈｅａｉｒｃｒａｆｔｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓａｎｄｗｉｃｈｐａｎｅｌｓ．Ｉｔｐｒｏｖｉｄｅｓｔｈｅｂａｓｉｓｆｏ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