飞机复合材料热电耦合仿真分析研究.pdf

２０１５年第１期玻璃钢／复合材料３３飞机复合材料热电耦合仿真分析研究张彬，陈晓宁，赵金龙，黄立洋（解放军理工大学国防工程学院，南京２１０００７）摘要：复合材料具有比重小、强度高、耐腐蚀性好等众多优点，使得复合材料越来越广泛地应用到飞机的制造业上。复合材料导电性较差，在遭受雷击时很难迅速将雷电流泄放出去，产生的电阻热会对复合材料造成严重的热损伤，危及飞机的飞行安全。本文利用有限元软件仿真分析碳纤维环氧树脂复合材料板遭受雷击时的热电耦合效应，仿真结果表明，复合材料表层最大电势变化趋势和所施加的雷电流波形一致，雷电流主要沿着复合材料板表层电导率最大的方向传导，由雷电流产生的电阻热也主要沿着表层传导，使得复合材料板的热损伤主要集中在表层。通过仿真分析得出了复合材料遭受雷击时的热损伤分布规律，为复合材料雷击可靠性评估提供参考。关键词：复合材料；雷击；热损伤；雷击可靠性评估———中图分类号：ＴＢ３３２文献标识码：Ａ文章编号：１００３０９９９（２０１５）０１００３３０５１引言为了降低飞机的自重、提高飞机燃油的利用率、增大飞机的续航能力，复合材料已广泛应用在飞机的设计制造上＿ｌＪ，波音７８７复合材料的使用量甚至超过了５０％Ｅ４］。复合材料具有强度高、热容量小、比重小、耐腐蚀性好、抗疲劳Ｉ生能好等众多优点，相比全金属飞机，使用复合材料可以减少２５％～３０％的飞机自重Ｊ。相比金属性材料，复合材料的导电性能较差，一旦遭受雷击，注入飞机复合材料表面的雷电流很难在短时间内流走，这将在复合材料表面产生巨大的焦耳热量，进而会对复合材料的表面产生严重的热损伤，对复合材料结构完整性、可靠性造成不可逆的损伤，轻则破坏飞机机体结构，重则危及飞机的安全。复合材料雷击损伤方面，国内外进行了大量的仿真和实验研究＿６。复合材料雷击损伤实验需要大量复杂而昂贵的设备，包括雷电流发生器、实验平台、超声波扫描仪、热重量分析仪等，实验成本较高。随着数值仿真技术的发展，利用专业仿真软件进行研究可以大大减少成本，同时可以获得较为理想的仿真结果，故本文采用有限元仿真软件进行复合材料雷击时电势场和温度场仿真研究，为复合材料雷击可靠性评估提供参考。２雷击热电耦合数学模型本文进行热电耦合分析基本理论如下：首先根据给定的电边界条件下计算复合材料板遭受雷击时的电势。然后在给定的热边界条件下进行暂态热分析，计算复合材料板各层的温度ｎ。电荷守恒方程式为：ＪＪ・ｎｄＳ＝Ｊｄ（１）ＪｅＪＶ式中，为表面积为Ｊｓ的任意体积；ｎ为表面积为Ｌｓ的外法线；Ｊ为电流密度；为单元体积的电流体密度。欧姆定律如下式所示：Ｊ＝・Ｅ（２）式中，为电导率；Ｅ为电场强度。Ｅ＝一Ｖ（３）式中，为标量电势。把式（３）带人式（２）可得：Ｊ＝・Ｅ＝一・ｖ４，（４）通过引入方程式（４）可得基本电荷守恒方程式：ｆｖａ４，・（ｏ－・ｖ４，）ａｖ＝ｆｒｄ＋ｆ８４，）ａｓ（５）ＪＪ口ＪＳＪ＝Ｊ・（６）式中，．，为垂直体积电流密度。焦耳定律的微分形式为：Ｐ＝Ｊ・Ｅ（７）把式（４）带人式（７）得：Ｐ＝Ｊ・Ｅ＝（・Ｅ）・Ｅ（８）—收稿日期：２０１４．０６０６作者简介：张彬（１９８９一），男，硕士研究生，主要研究方向为飞机闪电防护，１０３５２１３５４６＠ｑｑ．ｅｏｍ。譬ｃ｜飞机复合材料热电耦合仿真分析研究２０１５年１月式中，Ｐ为功率损耗密度。表暂态热分析式如下：’’ｃ号６ｄ＇，＋Ｖ６ｃｄ９＝Ｉ６ＯｒｄＶ＋Ｊ６０ｑｄＳ式中，０为温度；ｋ为温导；Ｐ为密度；Ｃ为比热；ｑ为垂直体积的热通量；ｒ为热密度。３材料参数和有限元仿真模型３．１材料参数本文采用碳纤维／环氧树脂复合材料ＩＭ６００／１３３【１５］。根据纤维敷设方向的不同，材料参数的属性沿着纵向、横向和厚度三个方向。表１列举了三个不同方向的热电参数。表１复合材料板材料属性Ｔａｂｌｅ１Ｍａｔｅｒｉａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅ复合材料板的尺寸如下：长度为１５０ｍｍ、宽度为１００ｍｍ、厚度为４ｍｍ。复合材料板由３２层各向异性的复合材料层构成，每层厚度为０．１２５ｍｍ，３２层的铺层角度为［４５。／０。／－４５。／９０。］，纤维方向对应于材料参数的纵向，相应的方向有着较大的电导率和温导率。复合材料受到雷电作用，产生大量的焦耳热，焦耳热量产生温升，当温度超过３００ｏＣ时，环氧树脂开始融化。当温度继续上升至６００ｏＣ时，液态的环氧树脂开始汽化，碳纤维直接裸露作用在雷电流之下。当温度达到３０００￣Ｃ时，碳纤维开始断裂，雷电流开始作用于下面的纤维层。为了模拟由纤维断裂造成雷电流向下面纤维层传导的状态，设置材料厚度方‘向电导率从７．９４ｅ一７（Ｑ・ｍｍ）到０．１（Ｑ・ｎｌｍ）。线—性变化，变化区间的温度范围为６００３０００￣Ｃ。复合材料的温升不能超过３０００￣Ｃ，设定虚拟潜热来限制复合材料的最大温度。３．２有限元仿真模型图１所示为有限元仿真模型。硼卸硷底面电熟为０．绝热图１有限元仿真模型Ｆｉｇ．１Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔ给定边界条件为：侧面和地面的电势为０；上表面和侧面的热辐射率设置为０．９，地面绝热；环境温度为２５ｑＣ。美国汽车工程协会（ＳＡＥ）航空实践推荐草案（ＡＲＰ）５４１２规定了飞机闪电环境及其相关的测试波形，ＳＡＥＡＲＰ５４１２中规定飞机实验所应用的理想闪电环境是一种复合波形，主要是由Ａ、Ｂ、ｃ、Ｄ四种分量组成，各分量峰值与作用时间参数如表２所示。表２复合雷电流各分量参数Ｔａｂｌｅ２ＷａｖｅｆｏＩ＇ＩＴＩｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｃｏｍｐｌｅｘｌｉｇｈｔｉｎｇｃｕｒｒｅｎｔ各分量参数Ａ（首次回击）Ｂ（中间电流）ｃ（持续电流）Ｄ（后续回击）峰值２００ｋＡ左右，作用时间小于５００微秒峰值２ｋＡ左右，作用时间不大于５毫秒峰值２００－８００Ａ，作用时间０．２５秒到１秒峰值１００ｋＡ左右，作用时间小于５００微秒ＳＡＥＡＲＰ５４１２中规定Ａ、Ｂ、Ｄ分量都可以用双指数函数进行描述，其中Ａ波分量峰值最大，对飞机的影响最为严重，故本文采用ＳＡＥＡＲＰ５４１２中规定的雷电流Ａ波作为注入复合材料板雷电流波形，雷电流Ａ波波形如图２所示。Ａ波为双指数函数，设置雷电流作用时间１２０微秒，表达式如下：ｉ（ｔ）＝２１８８１０（ｅｘｐ（＿１１２５４ｔ）一ｅｘｐ（６４７２６５ｔ））（１０）电流２００ｋＡ峰值图２雷电流Ａ波波形Ｆｉｇ．２Ｌｉｇｈｔｉｎｇｃｕｒｒｅｎｔｗａｖｅｆｏｒｍｓｏｆｃｏｍｐｏｎｅｎｔ２０１５年第１期玻璃钢／复合材料３７ＴＩ－ＩＥＲＭＡＬ－ＥＬＥＣＴＲＩＣＡＬＳＩＭＵＬＡＴＩＯＮＡＮＡＬＹＳＩＳＯＦＡＩＲＣＲＡＦＴＣＯＭＰｏＳＩＴＥＺＨＡＮＧＢｉｎ，ＣＨＥＮＸｉａｏ－ｎｉｎｇ，ＺＨＡＯＪｉｎ－ｌｏｎｇ，ＨＵＡＮＧＬｉ－ｙａｎｇ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＤｅｆｅｎｓｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＰＬＡＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１０００７，Ｃｈｉｎａ）—Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｈａｓｍａｎｙａｄｖａｎｔａｇｅｓｓｕｃｈａｓｓｍａｌｌｓｐｅｃｉｆｉｃｇｒａｖｉｔｙ，ｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｇｏｏｄｃｏｒｒｏｓｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ．Ｓｏ，ｉｔｉｓｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｔｏｔｈｅａｉｒｃｒａｆｔｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｉｎｄｕｓｔｒｙ．Ｗｈｅｒｅａｓ，ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｈａｓａｐｏｏｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ，ｍａｋｉｎｇｌｉｇｈｔｉｎｇｃｕｒｒｅｎｔｄｉｆｆｉｃｕｌｔｔｏｑｕｉｃｋｌｙｇｏｏｕｔｗｈｅｎｓｕｂｊｅｃｔｅｄｔｏｌｉｇｈｔｉｎｇ．Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｈｅａｔｗｏｕｌｄｃａｕｓｅｓｅｒｉｏｕｓｈｅａｔｄａｍａｇｅａｎｄｅｎｄａｎｇｅｒｔｈｅｓａｆｅｔｙｏｆａｉｒｃｒａｆｔｆｌｙｉｎｇ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｓｏｆｔ－—ｗａｒｅｉｓｕｓｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｅｆｆｅｃｔｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｅｐｏｘｙｃｏｍｐｏｓｉｔｅｐｌａｔｅｓｗｈｅｎｓｔｒｕｃｋｂｙｌｉｇｈｔｉｎｇ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｍａｘｉｍｕｍｐｏｔｅｎｔｉａｌｏｆｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｉｓｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔｗｉｔｈｔｈｅｔｒｅｎｄｓｏｆｔｈｅｅｘｐｏｓｅｄｌｉｇｈｔｉｎｇｃｕｒｒｅｎｔｗａｖｅｆｏｒｍｓ，ｌｉｇｈｔｉｎｇｃｕｒｒｅｎｔｇｏｅｓａｌｏｎｇｗｉｔｈｔｈｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｌａｒｇｅｓｔｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙｏｆｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｔｈｅＣＯＢ－ｐｏｓｉｔｅｐｌａｔｅｓ．Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｈｅａｔｇｅｎｅｒａｔｅｄｂｙｌｉｇｈｔｉｎｇｃｕｒｒｅｎｔａｌｓｏｍａｉｎｌｙｇｏｅｓａｌｏｎｇｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｓｏｔｈａｔｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｄａｍａｇｅｏｆｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｐｌａｔｅａｒｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄｏｎｔｈｅｓｕｒｆａｃｅ．Ｔｈｅｐａｐｅｒｏｂｔａｉｎｓｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｄａｍａｇｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｐｌａｔｅｗｈｅｎｓｔｒｕｃｋｂｙｌｉｇｈｔｉｎｇ，ａｎｄｐｒｏｖｉｄｅｓａｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒａｓｓｅｓｓｉｎｇｔｈｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｅｘｐｏｓｅｄｔｏｌｉｇｈｔｉｎｇ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ；ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ；ｔｈｅｒｍａｌｄａｍａｇｅ；ａｓｓｅｓｓｉｎｇｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｆｏｒｌｉｇｈｔｉｎｇ（上接第６８页）ＴＨＥＳＴＲＡｌＡＮＡＬＹＳＩＳＯＦＳＨＥＡＲ－ＳＴＲＥＮＧＴＨＥＥＤＤＡＭＡＧＥＤＲＣＤＥＥＰＢＥＡＭＳＷＩＴＨＥＸＴＥＲＮＡＬＢＦＳＨＥＥＴ——ＬＩＵＨｕａ－ｘｉｎ，ＳＵＮＹｉｎｇｍｉｎｇ，ＷＡＮＧＸｕｅｚｈｉ，ＫＯＮＧＸｉａｎｇ－ｑｉｎｇ（ＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆ＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅＣｏｌｌｅｇｅｏｆＬｉａｏｎｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｊｉｎｚｈｏｕ１２１０００，Ｃｈｉｎａ）—Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＩｎｏｒｄｅｒｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｃｈａｎｇｅｒｅｇｕｌａｒｉｔｙｏｆｓｔｒａｉｎｏｆｓｈｅａｒｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄｄａｍａｇｅｄＲＣｄｅｅｐｂｅａｍｓｗｉｔｈｂａｓａｌｔｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｐｏｌｙｍｅｒ（ＢＦＲＰ）ｓｈｅｅｔｓ，ｓｉｘｄａｍａｇｅｄＲＣｄｅｅｐｂｅａｍｓｗｅｒｅｔｅｓｔｅｄａｆｔｅｒｂｅｉｎｇｓｈｅａｒ－ｓｔｒｅｎｇｔｈ－ｅｎｅｄｕｓｉｎｇＢＦｓｈｅｅｔｓ．ＴｈｅｆａｉｌｕｒｅｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｆａｉｌｕｒｅｍｏｄｅｏｆｔｈｅｓｉｘｄａｍａｇｅｄＲＣｄｅｅｐｂｅａｍｓｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｈｅａｒｓｐａｎｒａｔｉｏａｎｄｄｉｆｆｅｒｅｎｔｗａｙｓｏｆｐａｓｔｅ．Ａｎｄ，ｔｈｅｓｔｒａｉｎｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｒｕｌｅｓｏｆＢＦｓｈｅｅｔｓａｎｄｃｏｎｃｒｅｔｅａｎｄｔｈｅｄｉｆｅｒｅｎｔｆａｃｔｏｒｓｔｈａｔａｆｆｅｃｔｔｈｅｓｔｒａｉｎｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｗｅｒｅａｌｓｏａｎａｌｙｚｅｄ．Ｉｔｌａｙｓｔｈｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ—ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓｏｆｓｈｅａｒｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄｄａｍａｇｅｄＲＣｄｅｅｐｂｅａｍｓ．—Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＢＦｓｈｅｅｔ；ｓｈｅａｒｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎ；ｄａｍａｇｅｄＲＣｄｅｅｐｂｅａｍ；ｓｔｒａｉｎ■／ｃ誊２口ｊ￡ｈ