碳纤维增强聚合物基复合材料雷击损伤的电—热—化学—力耦合分析

发布时间：2020-05-28 03:55

【摘要】：碳纤维增强聚合物基复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)具有轻质高强、抗疲劳、耐腐蚀、可设计性强等优点,广泛应用于现代工业的各个领域。由于航空航天飞行器在减重、一体化设计、多功能等方面具有特别需求,CFRP复合材料在飞行器上的应用范围和用量近年来都大幅提升。然而,与铝、钛合金等金属材料相比,CFRP复合材料的导电性能相对较弱且具有显著的各向异性,这导致雷电流在流经复合材料时会在局部瞬间产生大量的焦耳热,正因如此,CFRP复合材料对雷电环境更加敏感。另一方面,与金属或其它非金属复合材料相同的是,雷电产生的超音速、超高温等离子体放电通道对CFRP复合材料会有显著的烧蚀和冲击作用。总体来看,CFRP复合材料在雷击过程中会受到电-热-力耦合的直接效应作用,从而引发复合材料结构发生电-热-化学-力耦合响应,这对理论研究和数值模拟提出了很高的要求。虽然现阶段对于CFRP复合材料雷击损伤问题已经有大量的报导,但是,绝大多数工作是基于电-热耦合分析的焦耳热效应的计算,对于雷电对CFRP复合材料的复杂的作用机理、复合材料损伤模式及其含损伤的性能演化关系等更进一步的研究相对较少;加之CFRP复合材料雷击损伤的模拟计算是典型的多场耦合问题,需要考虑的因素诸多,仅通过电-热耦合分析很难获得精确的结果。本文采用实验和数值模拟相结合的方法围绕CFRP复合材料雷击损伤机理开展研究。在实验研究方面:(1)针对复合材料TR50S-15L/YPH308,开展了与雷击损伤直接相关的电、热和力学关键性能参数的测试研究,得到了该材料体系下热解反应动力学参数和层合板各向异性的电导率、模量、强度和断裂韧性等性能参数,为雷击损伤的电-热-化学-力耦合分析模型提供输入参数的同时,较为全面地理解CFRP复合材料的电、热和力学特性。(2)针对TR50S-15L/YPH308复合材料层合板,开展了非标准雷电波形(35/100 μs)较低峰值电流(10～50 kA)试验、标准雷电波形较高峰值电流(80～100 kA)试验和标准雷电组合波形试验,采用多种表征手段(表观、SEM、超声C/B扫描等)揭示了 CFRP复合材料在雷击作用下形成的特征损伤形貌及其成因,研究发现:CFRP复合材料在雷电环境中受到瞬态电-热-力耦合作用时有其独有的损伤特征,雷击损伤中树脂烧蚀和碳纤维断裂翘曲所形成的气体逸出通道以及碳纤维断口粗化是CFRP复合材料在常规单因素作用下所无法形成的。(3)对比研究了在标准雷电组合波形D+C和标准雷电波形D作用下CFRP复合材料的损伤特征,并结合雷电放电通道和复合材料结构的相互作用机理进行了损伤分析,结果表明:雷电脉冲波形成的面内损伤形貌呈菱形,这是雷电流传导过程中各向异性电导率所决定的;而之后连续作用的雷电持续波形成了圆锥形的烧蚀坑,这是雷电通道注入的电弧热所决定的,与复合材料各向异性无关。此外,对比研究还发现:在电流波形D之后连续施加的电流波形C并没有增加D作用形成的面内损伤面积,而是加剧了面内损伤区域的损伤程度,与此同时显著地增加了损伤深度。在数值模拟方面,本文借助ABAQUS有限元商业软件及其子程序基于人工模拟雷击试验逐步建立了 CFRP雷击损伤电-热-化学-力耦合分析模型。具体的建立过程和研究结论如下:(1)基于电-热耦合的基本理论和热解反应动力学理论,在ABAQUS软件的电-热耦合分析模块中通过用户自定义子程序USDFLD和HETVAL引入复合材料热解反应动力学模型,实现了热电物理性能随热解度退化进而再影响电场和温度场,建立了 CFRP复合材料雷击损伤的电-热-化学耦合分析模型,得到了CFRP复合材料在雷击损伤过程中电场、温度场和热解度场的时间、空间演变特点和规律。电-热-化学耦合分析模型的运用避免了采用温度作为复合材料性能退化判据带来的数值模拟中材料退化过早的问题。根据雷电弧根半径扩张的规律定义了随雷电流波形在时空间变化的电流和热流密度方程,在电-热-化学耦合分析模型中实现了电弧热和焦耳热效应在雷击损伤过程中的协同作用。此外,本文提出了解决电热载荷下移、高温气体消散降温等问题的相关假设与等效处理方法。(2)基于上述建立的电-热-化学耦合分析模型,模拟计算了 CFRP复合材料层合板在标准雷电组合波形D+C作用下的热解损伤,并与人工模拟雷击试验结果对比发现:雷击损伤的电-热-化学耦合分析模型可以很好地预测CFRP复合材料层合板厚度方向的雷击损伤;但对于面内损伤,该模型得到的预测值比真实值偏小。这也说明:热解损伤仅是面内方向的雷击损伤的来源之一,却贡献了绝大部分厚度方向的雷击损伤。更进一步地,通过对模型中特定节点在特定时刻下电势和热解度对比,解释了电势变化和电流分配的规律,同时揭示了CFRP复合材料伴随热解损伤过程的电学导通机理;另一方面,通过与仅考虑焦耳热效应的模拟计算结果比较,区分了焦耳热和电弧热在两种雷电波形D和C作用过程中的不同影响:具有瞬态响应特性的焦耳热效应在雷电波形D阶段起主导作用,而电弧热效应由于需要相对充足的导热时间在雷电波形C阶段起主导作用。(3)基于CFRP复合材料雷击损伤的电-热-化学耦合分析模型,一方面研究了雷电流波形特征参数对CFRP复合材料雷击热解损伤的影响,结果表明:不同波形参数下的雷击热解损伤程度随作用积分的变化曲线基本重合,波形参数对雷击热解损伤的影响主要通过作用积分来体现;雷击热解损伤程度与作用积分具有较强的指数关系。另一方面研究了复合材料电传导性能对雷击热解损伤的影响,结果表明:CFRP复合材料的雷击热解损伤随纵向电导率的增大有明显减小的趋势;横向电导率对热解损伤程度基本没有影响;而厚度方向电导率改变对雷击热解损伤深度的影响存在阈值,只有当厚度方向电导率大于该阈值时,增大厚度方向电导率才具有减小雷击损伤深度的防护效果。(4)分别针对CFRP复合材料层合板的铺层内和层间构建了特别适用于电-热-化学-力耦合分析的雷击损伤本构模型:对于铺层内,基于连续介质损伤力学,通过用户自定义子程序VUMAT将热解损伤对力学性能的影响视为材料单元有效承载面积的减小,引入了同时考虑热解损伤与力学损伤的雷击损伤变量,采用Hashin应变失效准则,建立了铺层内的考虑热解损伤的雷击渐进损伤本构模型;对于铺层间,为了避免单元型内聚力模型影响电-热-化学耦合分析步计算的问题,基于接触型内聚力行为理论,建立了考虑热解损伤的层间力学损伤本构模型。通过将基于电-热-化学耦合分析模型计算得到的随时空间不断变化的温度和热解度场以预定义场的形式导入ABAQUS显示动力学分析模块中的方法,实现了电-热-化学分析和热-化学-力分析的顺序耦合和数据传递,建立了CFRP复合材料雷击损伤的电-热-化学-力耦合分析模型,实现了雷击热解损伤和力学损伤的协同计算。(5)基于电-热-化学-力耦合分析模型,计算分析了 CFRP复合材料层合板在雷电分量D作用下考虑热应力和雷电冲击压力双重载荷时的力学响应与力学损伤,结果表明:层合板的主体变形呈现“马鞍”状,并在雷电流作用结束后仍做减幅振动;迎雷击一侧的面内中心区域局部有数层鼓包,出现了明显的分层损伤,且各铺层间的分层损伤并不能完全被同时刻的热解损伤所覆盖。进一步通过分别与仅考虑热应力和仅考虑雷电冲击压力的模拟计算结果对比发现:热应力是导致层合板迎雷击一侧的面内中心区域复杂应力状态以及层合板整体向上凸起和表层局部鼓包的主要因素,主导了分层损伤,增加了雷击过程中摩擦消耗的能量,进而加速了雷击过程中层合板机械能的消耗;而雷电冲击压力是层合板边缘应力状态以及产生向下弯曲变形的主要因素,是雷击过程中层合板机械能的主要来源,决定了层合板减幅振动过程的振幅和振型。此外,在构建雷击损伤本构模型的同时,应用有限元方法进一步分析了雷击损伤的热解影响系数对层合板在雷击过程中力学响应和损伤的影响。结果表明:热解影响系数对层合板力学响应和力学损伤均具有很大影响,随着热解影响系数的增大,不同形式的力学损伤都会呈不同程度的减小。在进行雷击力学分析中,确定热解损伤和力学损伤对材料性能退化影响的权重是十分重要的。本文全面考虑雷电放电通道电流、热流和冲击作用,建立CFRP复合材料雷击损伤的电-热-化学-力耦合分析模型,同时对涉及到的电、热、化学和力学过程进行了系统性的分析,极大地深化了 CFRP复合材料雷击损伤机理的研究,对能够较为准确地评估雷击损伤、降低雷击试验成本和优化设计雷击防护技术具有重要意义。
【图文】：

式中：／0＝１０９４０５Ａ，邋ａ＝２２７０８邋ｓＨ，ｙｆｆ＝１２９４５３０ｓ－１；邋ｆ邋为时间，单位为邋ｓ。逡逑针对脉冲雷电流波形，国际电工委员会ＩＥＣ在标准ＩＥＣ６００６０－１Ｗ中定义了逡逑波前（ｒ0和波尾时间（乃），如图１－２所示。由于实际测量记录得到的波形原点比逡逑较模糊，而峰值处幅值变化又较为平缓，所以波形的原点和峰值点较难辨识，逡逑为此选取幅值的１０％和９０％处的连线与横坐标的交点作为波形的原点，连线反逡逑向延长线与幅值的交点作为波峰点，这样，波前时间乃定义为从原点到波峰点逡逑的时间，而波尾时间ｒ２定义为从原点经过波峰点到５０％幅值处的时间，它们是逡逑确定脉冲电流波形的必要参数。逡逑ｌｏｏｔ－逦ｆＴｒ￣＇逡逑°邋ｒｒｒ＇邋７逡逑丁２邋Ｔｉｍｅ邋（（ｉｓ）逡逑图１－２标准ＩＥＣ６００６０－１定义的脉冲雷电流波形ｌ８］逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｉｍｐｕｌｓｉｖｅ邋ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ邋ｃｕｒｒｅｎｔ邋ｗａｖｅｆｏｒｍ邋ｄｅｆｉｎｅｄ邋ｉｎ邋ＩＥＣ６００６０－１邋［８］逡逑１．２．３飞机雷电测试分区逡逑考虑到飞机上不同部位和结构发生雷击的强度和频率不同，标准ＡＰＲ逡逑５４１４Ｗ中将飞机化分为不同的雷击试验区域，图１－３为典型的大型商用运输机逡逑雷电分区图解。１区包括机头和发动机罩等的靠近机头区域，其余的大部分机逡逑身面积归为２区

Ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ邋ｆｏｒ邋ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ邋ｓｔｒｉｋｅ邋ｚｏｎｅ邋ｄｅｔａｉｌｓ邋ｏｆ邋ｔｒａｎｓｐｏｒｔ邋ａｉｒｃｒａ区都与一组特定的电流分量严格对应，见表１－２，对应最具威胁的Ａ波，２区则包含有较低威胁的Ｄ波，，３区需要考虑Ａ波。在进行试验时，要求在一次放电过程中样［７］。例如，针对２Ａ区的电弧注入试验要求在一次放电和Ｃ＊按次序连续注入试样，而不是作为单独的雷电流分入试样。这样要求的目的是尽可能地复现雷电所可能产够较为真实地模拟雷电作用下试样的综合响应。逡逑电直接效应试验中飞机结构雷电分区及其对应测试电流ｉｇｈｔｎｉｎｇ邋ｚｏｎｅ邋ｏｆ邋ａｉｒｃｒａｆｔ邋ａｎｄ邋ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ邋ｃｕｒｒｅｎｔ邋ｃｏｍｐｏｎｅｌｉｇｈｔｎｉｎｇ邋ｄｉｒｅｃｔ邋ｅｆｆｅｃｔ邋ｔｅｓｔ邋［５］逦分区说明逦电流波形逡逑初始回击区逦Ａ．Ｂ．Ｃ＊，Ｈ逡逑初始回击区且悬停时间较长逦Ａｈ，Ｂ，（Ｔ，Ｄ，初始回击过渡区逦Ａ，Ｂ，Ｃ．邋Ｄ，
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V25;TB33


本文编号：2684667