复合材料雷击损伤热电耦合数值仿真分析

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1、第34卷第2期2016年4月中国民航大学学报JOURNALOFCIVILAVIATIONUNIVER团[TYOFCHINAV01．34No．2April2016复合材料雷击损伤热电耦合数值仿真分析卢翔，苏文正，蔺越国，贾宝惠(中国民航大学航空工程学院，天津300300)摘要：雷击是造成复合材料结构内部损伤的一个重要原因．导致复合材料性能严重退化．直接影响飞行安全。采用有限元分析软件ABAQUS建立了碳纤维复合材料IM600／133层合板雷击损伤模型．根据材料属性随温度变化情况模拟材料的性能衰退规律．进行

2、了热电耦合分析，重点对雷击过程中层合板内部的电场分布和温度场分布进行了模拟仿真。分析结果表明：雷击过程中雷击附着点处电势变化与雷击电流波形相似；温度场分布受层合板铺层方向影响较大。同时还受到相邻层热传导的影响；雷击损伤主要集中在雷击初期。关键词：复合材料；热电耦合；雷击电流波形；雷击损伤中图分类号：V258文献标志码：A文章编号：1674—5590(2016)02—0042—04Thermo—electricalcouplingsimulationofcomposites’damagecausedbyl

3、ightningLUXiang,SUWenzheng,LINYueguo，JIABaohui(co如伊ofAeronauticalEngineering,CAuc,Tianjin300300，China)Abstract：Lightningisanimportantcauseofinternaldamageofcompositestructures，itleadstoseverelydegradedperfor—manceofcompositematerialanddirectlyaffectsflig

4、htsafety．Alightningdamagemodelofthecarbonfibercom-positematerialIM600／133laminatesisestablishedwithfiniteelementanalysissoftwareABAQUS．Themodelsimulatesthelawofmaterials’recessiondependingonthematerialpropertieswithtemperaturechanges．Ther-moeleetriccoupl

5、inganalysisisconductedforthemodel．Electricfielddistributionandtemperaturedistributionoftheinternallaminatearesimulatedduringthelightning．Resultsshowthatthepotentialvariationatthelight·ningattachmentpointissimilartothelightningcurrentwaveformduringalightn

6、ing；thetemperaturedistributionisinfluencedbythelaminateplydirection，butalsobytheheatconductioneffectofanadjacentlayer；,lightningdamagesappearmainlyintheearlylightning．Keywords：composite；thermoelectriccoupling；lightningcurrentwaveform；lightningdamage复合材料有

7、其自身的缺陷，如其内部存在分层和基体裂纹等，会表现出极大的强度退化，而造成内部损伤的主要原因包括：制造、维修或其他操作期间工具掉落和碎片撞击，其中雷击则是造成复合材料结构内部损伤的另一个重要原因【l。31。雷击产生高温造成基体的分解和分层，甚至造成复合材料的纤维断裂，导致复合材料刚度强度严重退化，直接影响飞行安全[41。国内外学者已对雷击损伤进行了大量的研究，ToshioOgasawara等通过实验结果和数值模拟分析对比方法得出，CFRP复合材料沿厚度方向热分解电导率的特定机制是准确数值模拟的关键，特别

8、是假定在环氧树脂分解温度和碳升华温度的范围内，在厚度方向的导电率随温度是线性变化的，这一假设使数值模拟结果更加合理圈；AbdelalG等采用与温度相关的材料建模，对复合材料(碳纤维／环氧树脂)和嵌入铜网保护系统的复合材料进行了雷击仿真数值分析[61。在复合材料雷击过程中，由于雷击附着点处瞬间产生高温，材料性能衰退，加之由于基体分解和碳升华，层合板附着点表面材料丢失，使材料下一层直接暴露于雷击电流之中171。为更好地模拟雷击损伤，本文采用温度