[发明专利]碳纤维层合板雷击冲击力和雷电断裂损伤测量装置和方法

说明书

本发明公开一种具有共模干扰抑制性能的碳纤维层合板雷击冲击力和雷电断裂损伤的测量装置和方法，该装置通过可控强度的雷电流脉冲对被试碳纤维复合材料层合板作用的冲击力通过一定长度、一定截面的雷电冲击力传输绝缘棒传递至带屏蔽外壳的压电传感单元中，使得被试碳纤维复合材料层合板冲击力的测量可以免受强雷电流电磁干扰的影响；通过调整可控强度雷电流发生器输出的雷电流的幅值，可以获得被试碳纤维复合材料层合板所承受的雷电冲击力与雷电流电参数之间的数学解析式；同时，通过改变被试碳纤维复合材料层合板与压电传感器之间的距离可获得雷电冲击力的响应时间特征，为被试碳纤维复合材料层合板雷电损伤效应的机理研究提供理论支持。

技术领域

本发明属于雷击对材料力学效应的测量技术，涉及一种雷击冲击力对碳纤维复合材料作用的测量方法，尤其涉及一种碳纤维层合板雷击冲击力和雷电断裂损伤测量装置和方法。

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，广泛应用于航空航天、军事及民用工业等各个领域。随着碳纤维复合材料在航空器诸如大飞机结构上用量的不断增加，高强度的雷击会导致碳纤维复合材料的纤维断裂、树脂热解、深度分层等严重损伤。因此，碳纤维复合材料的雷电损伤及雷电防护已成为制约其性能提升及应用的技术难题。

雷电对飞机的直接效应除包含大电流引发的磁场力及焦耳热效应外，还包含雷电高压冲击波的冲击力效应。美国机动工程师协会SAE、美国军用标准MIL STD和欧洲民航组织EUROCAE对飞机及其部件的雷电直接效应的试验波形和试验方法做了详细规定，目前通过碳纤维复合材料雷电损伤的实验和仿真计算研究解释碳纤维复合材料雷电热效应情况下的树脂热解和碳纤维升华造成的损伤。但对于雷击附着过程中，由于高压引起的通道气体电离而形成的雷电冲击力是否与碳纤维的断裂分层损伤有关？目前公开文献不能给予很好的阐释。同时基于热电耦合建模的被试碳纤维复合材料层合板计算得到的雷电损伤只能反映雷击附着点后雷电流注入的焦耳热所产生的雷电损伤，而对于由于其他力学效应，比如附着点之前的雷电冲击力，以及被试碳纤维复合材料层合板树脂热解气体形成的内爆冲击力等则无法表征；此外，发明专利ZL 201510579759.4公开了碳纤维复合材料雷电冲击力的方法，但存在如下问题：

(1)被试碳纤维复合材料层合板的加持方法为上、下加持，即雷击从被试碳纤维复合材料层合板的一个表面注入，从被试碳纤维复合材料层合板的另一个平面流出，这种装夹方式测得的雷电冲击力无法完全表征实际大飞机结构遭受雷电时冲击力。

(2)碳纤维层合板下方为金属平板电极，在平板电极中央开设有安装绝缘板的圆形或方形槽孔，在绝缘板的中央开设有安装压电传感器的槽孔，压电传感器的表面与绝缘板的表面平齐并与被试碳纤维复合材料层合板紧密接触，但由于实验研究中，碳纤维层合板的重量较轻，使得碳纤维层合板与冲击力压电传感器的接触并非紧固接触，致使测得的冲击力分散性较大，无法精确表征雷击对碳纤维层合板的雷电冲击力。

(3)由于雷电冲击力压电传感器放置在碳纤维层合板雷电冲击的强电磁环境中，由压电传感器提取的雷电冲击力的信号存在很强的电磁干扰，引起冲击力测量的较大偏差。

(4)雷击与碳纤维复合材料作用过程中，雷电冲击力对雷电流响应时间的瞬时关系无法准确给出，直接影响雷击与碳纤维复合材料雷电损伤机理的研究以及碳纤维雷电防护材料和防护结构的设计。

发明内容

本发明目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供具有共模干扰抑制性能的碳纤维层合板雷击冲击力和雷电断裂损伤的测量装置和方法，获得雷电冲击力与被试碳纤维复合材料层合板雷电损伤之间的关系规律，为碳纤维复合材料雷电损伤机理的研究以及雷电防护材料和防护结构的设计奠定基础。

为实现上述目的，本发明采用如下技术申请：

具有共模干扰抑制性能的碳纤维层合板雷击冲击力和雷电断裂损伤的测量装置，包括可控强度雷电流发生器、压电传感单元、计算机测控与数据管理单元和实验夹具；