[发明专利]单一缓上升雷电流分量作用下碳纤维复合材料损伤计算方法

说明书

本发明公开一种单一缓上升雷电流分量作用下碳纤维复合材料损伤计算方法，利用非破坏雷电流作用下得到的碳纤维复合材料的动态阻抗曲线，外推得到预先设计的雷电损伤仿真条件下碳纤维复合材料在规定单一缓上升速率雷电流分量作用下的各向异性电导率，作为碳纤维复合材料热电耦合模型中材料电导率的初始条件，更好地模拟碳纤维复合材料的真实雷电效应，更为准确地得到碳纤维复合材料的雷击损伤，特别是雷电损伤面积、深度与雷电流分量参数之间的相关关系，为碳纤维复合材料层合板配方、工艺的研究及其性能提升和工程应用奠定理论基础。

技术领域

本发明属于碳纤维复合材料雷电损伤的仿真计算方法，涉及一种单一缓上升雷电流分量作用下碳纤维复合材料损伤计算方法。

背景技术

碳纤维复合材料既具有低密度、高强度、高模量、耐高温、耐化学腐蚀等特性，又具有纺织纤维的柔软可加工性，广泛应用于航空航天、军事及民用工业等各个领域。随着飞机设计的改进和碳纤维复合材料技术的进步，碳纤维增强型聚合物复合材料CFRP(CarbonFiber Reinforced Polymers)在大型民用飞机、军用飞机、无人机及隐形飞机上的用量不断增长，从1960年麦道公司DC-9机型上CFRP的用量不足1％，到2011年末波音B787的主翼、尾翼、机体、地板等结构的50％用的是CFRP材料，空客A350XWA上CFRP材料所占的比例达到53％。

相比较飞机中传统使用的铝、钢和钛合金材料，CFRP的电传导性能差。一般来讲，CFRP层合板经向方向的电阻率为10^-5Ω·m量级、横向平面方向的电阻率为10^-1Ω·m量级、深度/厚度方向的电阻率更大。这就使得CFRP层合板在雷击情况下无法像金属材料那样具有短时间使积累的电荷迅速转移或扩散的能力，这部分积聚的能量以焦耳热的形式使得CFRP温度急剧升高，从而导致CFRP的纤维断裂、树脂热解、深度分层等严重损伤。

欧盟和美军标规定了航空器雷电直接的试验要求和雷电流分量，其中雷电分量包括分量A(首次雷电回击分量)或Ah(首次雷电回击的过渡分量)、B(中间电流分量)、C/C*(持续电流分量)和D(后续回击分量)电流波，其中雷电流分量A、Ah和D波均为峰值高(分别为200kA、150kA、100kA)、上升速率快的雷电流分量；雷电流分量B可以是平均电流2kA、上升时间短、持续时间为几个毫秒的双指数波，也可以是上升较为缓慢的方波电流；雷电流分量C为上升时间缓慢、持续时间几百毫秒的电流波。

自CFRP问世以来，诸多学者就将研究热点集中在其机械特性的研究方面，得出了机械冲击参量与CFRP的抗拉伸强度、抗压缩强度及损伤区域和损伤深度之间的关系规律。目前而言，关于碳纤维复合材料雷电损伤的研究获得了越来越广泛的关注，许多研究者在实验手段缺乏的情况下，通过建立单一雷电流A分量作用下碳纤维复合材料雷电损伤的热电耦合模型，通过仿真计算初步获得了碳纤维复合材料雷电损伤面积、损伤深度的影响规律，其他雷电流分量，比如雷电流Ah分量、B分量、C分量、D分量或者H分量的雷电损伤研究并文献报道甚少。除此之外，现有研究文献中碳纤维雷电损伤的仿真模型一般以温度的临界值或者阻抗随热解度变化的规律而建立的，特别指出的是热电耦合模型的初始条件均是静态(直流)小电流情况下碳纤维复合材料的电导率，完全忽略了雷电流作用下碳纤维复合材料电导率与静态直流小电流的显著差异，以及碳纤维复合材料雷电流作用下的非线性特征，使得仿真计算的结果与实际雷击下的雷电损伤存在较大差异。发明专利ZL2015104538855公开了“碳纤维复合材料非破坏性雷电流作用下阻抗特性测量方法及测量装置”，相关文献的研究结果也表明：碳纤维复合材料由于其结构、工艺特性，在雷电流作用下其电导率呈现明显的非线性特性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种单一缓上升雷电流分量作用下碳纤维复合材料损伤计算方法，准确地得到碳纤维复合材料的雷击损伤与雷电流分量参数之间的关系，为碳纤维复合材料配方、工艺的研究及应用提供理论依据。

为实现上述目的本发明采用如下方案：