碳纤维复合材料雷电损伤特性研究

摘要

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP，Carbon Fiber Reinforced Polymer)因为其优异的结构性能而被广泛应用于航空领域。当应用于飞机结构时，碳纤维增强树脂复合材料相比于传统的金属材料导电率要低，对雷电更加敏感。考虑到碳纤维复合材料的物理特性，其雷电损伤程度比相应的金属材料高的多，损伤更为严重。
　　损伤面积和损伤深度是评价雷电对复合材料雷电损伤程度的两个重要指标。碳纤维增强树脂复合材料各向异性，其厚度方向的电阻率高于平面方向两到三个数量级，雷电流很难渗透到其深层，但如果复合材料受到损伤，雷电流就可传递到更深的部分。一旦雷电穿透机翼油箱结构的复合材料蒙皮，它可能点燃燃油蒸汽，可导致灾难性的爆炸。因此，复合材料最大破坏深度对结构完整性而言是一个严重的问题。
　　为满足飞机在雷电环境下防护设计要求，需要开展实验来测试碳纤维复合材料的损伤特性。碳纤维复合材料的损伤影响因素可大致分为内部因素和外部因素两大类，内部影响因素包括材料的不同、铺层方式不同、防护方式不同等。外部影响因素包括环境参数不同，如转移电荷量、作用积分、作用峰值等。本文首先选取飞机上常见的层压结构的CFRP材料平板试验件，采用组合模拟雷电流分量A、B、C*，对复合材料试验件采用火焰喷涂铝和编织铜网两种防护方式，然后对平板试验件进行雷电直接注入试验研究，对比分析了不同防护方式下的雷电损伤特性。其后，对结构件开展实验，试验后通过无损探伤检测得到损伤数据。为建立损伤深度模型，把雷电电弧加热和复合材料电阻加热作为外部能量输入的主要方式、复合材料基体蒸发被定义为复合材料能量吸收的主要方式，建立碳纤维复合材料雷电损伤预测的参数模型。结合复合材料雷电试验损伤数据，采用遗传算法优化了损伤预测模型的参数。依据损伤模型进一步分析了雷电环境参量对碳纤维复合材料特性的影响，并得出相应的损伤特性曲线。最后，通过ANSYS有限元仿真软件，针对碳纤维复合材料结构遭受雷击的损伤过程，建立了层合板试验件电热耦合的有限元模型，研究了碳纤维复合材料雷电损伤时的温度场分布。

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究的背景与意义

1．2 碳纤维复合材料雷电损伤研究现状

1．3 本文研究的主要内容

第二章 碳纤维复合材料雷电注入试验研究

2．1 飞机雷电环境

2．2 试验方法

2．2．1 试验原理

2．2．2 试验件

2．2．3 试验波形

2．2．4 复合材料的导电涂层防护

2．3 试验过程和试验结果

2．4 本章小结

第三章 碳纤维复合材料雷电损伤预测

3．1 试验方法

3．1．1 试验件

3．1．2 试验设备

3．1．3 试验波形

3．1．4 飞机雷电附着及分区

3．1．5 试验过程

3．2 模型建立

3．3 模型应用

3．4 本章小结

第四章 碳纤维复合材料层合板雷电损伤仿真

4．1 有限元的基本思想

4．1．1 热分析基础理论

4．1．2 基本电热耦合分析理论

4．2 碳纤维复合材料雷电损伤数值分析

4．2．1 层合板有限元模型

4．2．2 雷电流波形

4．2．3 复合材料试验件材料参数

4．2．4 层合板有限元仿真

4．3 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 工作总结

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果清单