碳纤维复合材料雷击损伤实验研究与数值模拟

发布时间：2021-03-17 09:40

碳纤维复合材料以其轻质、高强度、高模量和耐腐蚀等优异性能而著称,在航空航天器中作为主结构材料得到了越来越广泛的应用。但这种新材料与传统的金属材料相比对雷电更加敏感,大范围的使用无疑让飞行更加危险,因此大量应用碳纤维复合材料的飞行器在雷电环境中的安全性问题备受关注。研究碳纤维复合材料的雷击损伤,确保其在航空航天中应用的安全性,对我国早日掌握大飞机设计与制造的关键核心技术具有重要意义。本文实验研究了碳纤维增强热固性树脂基复合材料层合板的制备技术,分别制备了碳纳米管层间增韧/强化导热导电的碳纤维复合材料层合板试样、带有三维抗雷击表面功能层的碳纤维复合材料层合板试样、无孔拉伸/压缩试样、有孔带金属紧固件的碳纤维复合材料层合板试样等多种试样。针对不同类型层合板雷击防护的特点开展相应的人工模拟雷击试验,并对层合板损伤进行表征和对比分析。得到的具体结论为：(1)雷击损伤从雷击附着点开始沿着每一铺层的碳纤维轴向对称性地呈扇形向外扩展,形成了显著对称的分层损伤形貌；(2)碳纤维复合材料雷击损伤后的微观形貌为树脂热降解产生的剩余残炭沉积在裸露的碳纤维上,碳纤维断裂、烧蚀、膨起并且局部增粗；(3)层间增韧/强化导热导电的层合板的雷击防护性能随着改性层数的增多而变好；(4)比较多种雷电防护改性的碳纤维复合材料层合板的雷击损伤情况,结果表明具有三维抗雷击表面功能层的复合材料层合板的雷击防护效果最佳；(5)添加等量的镀镍多壁碳纳米管(Ni-MWCNTs)进行导电改性的层合板的雷击防护效果明显好于添加非镀镍改性的多壁碳纳米管(MWCNTs); (6)金属紧固件在碳纤维复合材料上的使用增大了雷击的危险性。为了实现碳纤维复合材料结构-导电-防雷一体化设计的目标,综合电、热、化学降解等因素的作用,通过调用ABAQUS有限元软件的用户自定义子程序USDFLD、HEAVEL引入热降解度,建立了碳纤维复合材料雷击损伤过程的热-电-热降解多物理场耦合分析模型,从而实现了碳纤维复合材料层合板的雷击损伤过程的有限元模拟。比较有限元模拟结果与实验结果,验证了有限元模拟方法的合理性,在此基础上研究了各种因素对碳纤维复合材料雷击损伤的影响及其之间的关系,并进行回归分析。得到的具体结论为：(1)引入热降解度及其分布的物理量,综合温度、时间和空间因素,探究了雷击所致的复合材料层合板的热损伤行为,建立了与热降解度相关的复合材料各向异性热电性能模型,使得模拟结果更加合理、精确；(2)在损伤面积、损伤深度以及损伤体积等衡量损伤的三个指标中,损伤体积能较好地衡量雷击损伤程度；(3)雷电流参数中的电荷量对碳纤维复合材料层合板的损伤体积影响最大,损伤体积分别和电荷量、作用积分有对数关系；(4)雷击损伤体积与复合材料电导率具有较强的对数关系,雷击损伤随着电导率的增大而大幅减小,而复合材料热导率对雷击损伤基本没有影响。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB332

文章目录

摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 研究背景

1.1.1 碳纤维复合材料在飞机上的应用

1.1.2 雷电过程及危害

1.1.3 飞机雷电防护的适航要求

1.1.4 飞机的雷电测试标准

1.2 国内外研究现状

1.3 课题的提出和研究内容

1.3.1 课题的提出

1.3.2 研究内容

第二章实验部分

2.1 引言

2.2 碳纤维复合材料层合板试样的制备方法

2.2.1 原材料及实验设备

2.2.2 实验材料和模具的准备

2.2.3 试样制备工艺过程

2.3 碳纳米管层间增韧/强化导热导电的碳纤维复合材料的制备

2.3.1 原材料

2.3.2 制备工艺

2.4 带有三维抗雷击功能层的先进树脂基复合材料的制备

2.4.1 制备原理

2.4.2 原材料

2.4.3 制备过程

2.5 人工模拟雷击试验

2.5.1 人工模拟雷击试验准备及专用夹具

2.5.2 人工模拟雷击试验过程

2.6 碳纤维复合材料层合板雷击损伤的表征

2.6.1 无损超声检测

2.6.2 微观分析

2.7 本章小结

第三章碳纤维复合材料雷击损伤的有限元模拟

3.1 引言

3.2 热-电-热降解耦合分析原理

3.2.1 热-电-热降解耦合分析方法

3.2.2 电场控制方程

3.2.3 温度场的控制方程

3.2.4 碳纤维复合材料热降解动力学研究

3.3 碳纤维复合材料层合板雷击损伤的有限元模拟

3.3.1 有限元模型

3.3.2 模拟方法

3.3.3 结果与讨论

3.4 模型验证

3.5 本章小结

第四章碳纤维复合材料雷击损伤影响因素研究

4.1 引言

4.2 雷电流特征参数对雷击损伤的影响

4.2.1 雷电流波形参数

4.2.2 雷电流特征参数对雷击损伤的影响

4.2.3 回归分析

4.3 材料初始的热电性能参数对雷击损伤的影响

4.3.1 雷击损伤与材料热电性能的关系

4.3.2 回归分析

4.4 本章小结

第五章结论和展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间取得的研究成果

附件

【参考文献】