轻型飞机复合材料壁板雷击防护结构的CAE建模与性能研究

发布时间：2017-09-20 02:26

  本文关键词：轻型飞机复合材料壁板雷击防护结构的CAE建模与性能研究

  更多相关文章： 碳纤维增强复合材料 雷击损伤 雷击防护 有限元分析 实验验证

【摘要】：碳纤维增强复合材料具有比强度和比模量高、密度低、耐腐蚀性好、结构可设计性强等一系列优点,已在航空航天领域得到了日益广泛的应用,尤其在民航运输领域中,复合材料在民机设计制造过程中所占的比例迅速增长。统计表明,民航客机每飞行3000小时就存在一次遭受雷击的风险,在雷雨区域,遭受雷击的可能性将会更大。复合材料的电导率较低,若缺乏足够的防护措施,在遭受雷击之后,使用复合材料制造的部位通常会出现比传统金属框架的飞机更为严重的结构损伤,因此,采用大量复合材料制造的新型飞机的雷击防护是一个对航空运行安全具有重大影响的关键问题。本文通过有限元数值仿真和人工雷击实验相结合的方式,研究了在不同防护方式的保护下,碳纤维增强复合材料层压板在冲击电流作用下的损伤情形。本文使用三维建模软件CATIA V5R21建立了层合结构的3D几何模型,之后将其导入ANSYS Worbench中建立有限元模型,对碳纤维增强复合材料层压板进行了“电-热-结构”的多物理场耦合分析,以研究采用不同雷击防护方式的CFRP层压板对雷电流的防护效果。此外,本文还利用ANSYS Workbench集成的后处理功能分别获得了层压板内外的整体应力分布、温度场、结构整体总变形、单一铺层变形和热应力的分布云图以及变化曲线等结果,得到了雷击损伤在复合材料层压板表面和内部的主要分布区域。本文采用树脂传递模塑闭模成型(RTM)工艺,以T300碳纤维为增强体,DR331改性环氧树脂为基体制备了复合材料层压板试件,并在相同测试条件下,进行了人工雷击实验。为避免CFRP试件被冲击电流击飞而造成安全隐患,本文还使用CATIA设计了一套用于在实验过程中夹持和固定试件的快速拆装夹具,并根据实测结果分析了雷电流对复合材料层压板造成的局部碳化、纤维断裂或分层等损伤的原因。最后,本文对仿真和实验结果进行了总结,同时对复合材料雷击损伤与雷击防护未来的发展方向做出了展望。
【关键词】：碳纤维增强复合材料 雷击损伤 雷击防护 有限元分析 实验验证
【学位授予单位】：中国民用航空飞行学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V258.3
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-10
• 第一章 绪论10-19
• 1.1 复合材料发展概述10-12
• 1.2 复合材料的命名和分类12-15
• 1.2.1 复合材料的命名13
• 1.2.2 复合材料的分类13-15
• 1.3 复合材料在航空航天领域的应用15-17
• 1.4 课题研究的背景和意义17-19
• 第二章 碳纤维增强复合材料雷击损伤仿真分析理论基础19-51
• 2.1 复合材料有限元分析基础19-28
• 2.1.1 建立复合材料层压板的CAD模型20-21
• 2.1.2 复合材料层压板的网格划分21-22
• 2.1.3 复合材料本构关系的定义22-25
• 2.1.4 载荷加载与求解25-27
• 2.1.5 雷击损伤结果的后处理27-28
• 2.2 传热理论基础28-43
• 2.2.1 热传导理论基础28-34
• 2.2.2 对流传热理论基础34-39
• 2.2.3 热辐射理论基础39-43
• 2.3 冲击波实验理论基础43-51
• 第三章 碳纤维增强复合材料的热-电-结构耦合分析51-118
• 3.1 计算平台的选择51-53
• 3.2 计算模型的建立53-57
• 3.2.1 碳纤维增强复合材料层压板坐标系的定义53-55
• 3.2.2 碳纤维复合材料层压板的有限元模型55-57
• 3.3 碳纤维增强复合材料电流传导生热分析57-81
• 3.3.1 复合材料体系58-59
• 3.3.2 电流传导生热耦合分析59-81
• 3.4 热-结构耦合分析81-101
• 3.5 结果与讨论101-117
• 3.5.1 冲击电流作用下温度场变化趋势的研究102-104
• 3.5.2 不同防护方式对热应力和热应变的影响研究104-117
• 3.6 本章小结117-118
• 第四章 碳纤维增强复合材料雷击损伤实验118-131
• 4.1 实验方案的设计118-122
• 4.2 复合材料层压板试件的制备122-124
• 4.3 复合材料层压板夹具的设计124-125
• 4.4 复合材料层压板冲击波实验125-130
• 4.5 本章小结130-131
• 总结与展望131-134
• 参考文献134-141
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果141-143
• 攻读硕士学位期间参与的科研项目143-144
• 致谢144

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本文编号：885365