飞机复合材料表面导电层的雷击仿真研究

复合材料在飞机上的应用越来越广泛,与金属相比复合材料导电性较差,因此处于雷击区域的复合材料部件表面要设计导电防护层以承受雷击时的瞬间放电,避免复合材料部件的烧蚀损伤。本研究利用数值仿真的方法建立了数学模型,计算了复合材料表面导电层通过雷击电流脉冲后的电场和温度场分布,并对该导电层的雷击防护能力及可靠性进行了评价。模拟结果表明,厚度为0.20 mm的铝导电层最适宜做飞机表面的雷击防护层。     

CFRP层合板雷击烧蚀损伤模拟的电流加载方式分析

通过改进加载方式减小数值模拟与试验结果误差对于提高仿真准确性具有一定意义。本文探究复合材料层合板在不同形式雷击电流下的烧蚀损伤特性，改进Braginskii 电弧半径扩展公式，建立适用于雷击过程的电弧扩展半径数值模型；基于ABAQUS 建立CFRP 层合板有限元模型，分析不同电流加载方式下的烧蚀损伤情况。结果表明：建立的有限元模型能够模拟CFRP 层合板雷击烧蚀损伤；扩展移动加载造成的损伤面积、损伤深度和损伤体积与试验结果对比误差均约为7%，较其他加载方式仿真结果与试验结果对比具有良好的一致性，模拟复合材料雷击烧蚀损伤时应同时考虑电流扩展和移动的影响。     

基于热力耦合层合板雷击损伤特性分析

为研究复合材料层合板在雷电流作用下的烧蚀损伤力学特性,建立复合材料雷击热力耦合有限元分析模型,与文献实验结果对比验证模型的有效性。根据Hashin三维失效准则编写用户材料子程序,分别得出层合板雷击烧蚀区域周围出现的力学损伤、各层力学损伤分布以及首层在不同方向上的应力分布,分析得出层合板的烧蚀损伤随雷电流持续时间的变化规律。结果表明:由于存在较高的温度梯度,导致层合板出现较大的热膨胀应力,进而导致层合板内部产生各种力学损伤,即基体开裂、分层及纤维断裂;雷击电流施加时间、峰值电流与温度场均对层合板烧蚀面积产生较大的影响。     

碳纤维复合材料雷击损伤的瞬态红外热成像检测

通过雷电模拟,对复合材料层合板试样进行雷击损伤试验。基于热扩散原理,针对不同的雷击试验件,采用波形为长脉冲形式的瞬态热激励方式对雷击损伤进行红外热成像检测,并对不同时刻的检测结果进行分析、比较,对缺陷轮廓进行界定,对结果进行定量测量。检测结果表明,无论是否对碳纤维复合材料表面进行防护,瞬态红外热成像方法均能够有效检测出雷击后的内部分层损伤,可对损伤的严重程度进行有效区分,能够对缺陷尺寸、面积进行准确测量。     

波音737飞机复材面板雷击分层损伤的超声检测

通过研究深航现役波音737飞机雷击后的损伤表现形式,利用超声脉冲扫查方法检测复材面板的雷击分层,以不同波形变化分析面板层可能存在的不同损伤形式,为区分缺陷回波与板面回波提供参考。     

雷电感应对机上电子设备的危害和保护策略

感应雷击产生的电磁脉冲对飞机上电子设备的危害极大,通过对雷击产生原因的分析与探讨,深入研究感应雷击产生的电磁脉冲对机载电子设备的影响与危害,提出具有针对性的雷电防护的解决方案,消除雷电对机栽电子系统的影响,从而实现了雷电的综合防护。     

雷击对航空器影响浅析

飞机在空中如果遇到闪电所产生的电流，即为雷击。雷击对航空器的安全和正常运行有很大影响，航空界对其尤为重视。下面以空客飞机为例，简要分析雷击的过程、影响以及受雷击飞机的检查修理。     

不同喷铝参数对复合材料雷击防护性能模拟

为了研究复合材料不同的雷击防护(lightning strike protection,LSP)系统在雷电流作用下的损伤规律,对雷击损伤过程和烧蚀机理进行分析,建立复合材料层合板雷击防护的能量平衡数学模型。在此基础上,在ABAQUS中建立复合材料基准件、全喷铝和局部喷铝防护系统的碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)层合板电-热耦合有限元模型,和实验结果对比验证模型的有效性,对雷击烧蚀损伤特征进行分析,并引入雷击烧蚀损伤指数DI,得出三种不同模型在不同铝涂层厚度、不同峰值雷电流作用下的烧蚀损伤规律,并对两种不同的局部喷铝防护系统下复合材料的损伤特征进行对比分析。结果表明:雷击防护系统下复合材料的烧蚀损伤面积和铝涂层厚度关系进行函数拟合,两者均满足幂函数关系。     

碳纤维复合材料电导率改性与抗雷击性能

传统碳纤维复合材料(CFRP)中的树脂基体电阻率大,在强电流下会产生大量阻性热从而造成损伤,增强其电导率能够有效提高CFRP的雷击防护性能。在树脂基体中添加银粉颗粒进行电导率改性,通过有限元仿真分析银粉含量对雷击防护性能影响,确定CFRP基体中的最佳银粉含量为38%。沿厚度方向电导率的改性效果最佳,提高了217.3倍。使用不同峰值的D波形雷电流对改性CFRP层压板进行模拟雷击实验,并对未改性以及表面铺设铜网的层压板进行相同能级的对照实验,通过目视损伤观察和透视超声扫描比较损伤特征和损伤面积,评估基体改性CFRP的抗雷击性能。结果表明:基体改性可以阻碍表面铺层被击穿,降低纤维断裂翘曲以及分层损伤;峰值电流20 kA、40 kA和60 kA下,铜网防护能使雷击透视损伤面积分别下降100%、86.61%和37.46%,基体改性整体防护能使雷击透视损伤面积分别下降84.02%、81.03%和40.91%。     

复合材料雷击防护电热耦合模型

为了研究复合材料雷击防护(lightning strike protection,LSP)系统在雷电流作用下的损伤规律,基于雷击过程中的能量守恒关系,建立复合材料层合板雷击防护的电-热耦合数学模型。在此基础上,在ABAQUS中建立铝涂层防护的碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)层合板雷击烧蚀损伤有限元模型,并对雷击烧蚀损伤进行分析,和实验结果对比验证仿真的有效性,得出复合材料层合板在不同峰值雷电流、不同组合波形和不同铝涂层厚度雷电流作用下的烧蚀损伤规律。结果表明:铝涂层厚度相同时,峰值电流从50 kA增大到100 kA时,复合材料层合板损伤面积约增大1.5倍;10/350波形50 kA峰值雷电流作用下,基准件的损伤面积约为0.05 mm厚度铝涂层防护系统下复合材料损伤面积的4倍。     

飞机雷电防护

雷电是一种危险现象,但是到目前为止还没有一种技术能够防止飞机遭受雷击。本文分析了雷电造成的危害,并论述了飞机结构设计应该为雷电流提供低阻抗的通路。对于对雷击放电敏感的部位和部件,必须根据其自身的重要性采取适当的雷电防护措施,以尽可能减少雷电对飞机的损害。最后介绍了为确保雷电防护措施的可靠性而进行的验证试验方法。     

飞机雷电初始附着仿真方法研究

应用数值仿真的方法判断飞机雷电初始附着情况，为飞机的雷电分区提供依据。仿真飞机在平板电极和棒电极模拟的雷电环境下的电势分布，通过飞机表面的电势分布大小判断飞机表面尖端部位是否会成为雷电的入点或出点。通过对电势的归一化处理，为整机的雷电初始附着提供统一基准。     

全权限数字电子控制器雷电试验方法研究

在分析机载设备雷电感应敏感度试验相关标准的基础上,对全权限数字电子控制器雷电间接效应试验方法进行研究。对雷电间接效应耦合方式进行了分类,并以某型全权限数字电子控制器为例,介绍了数字电子控制器雷电感应瞬态敏感度试验波形组、试验电平选择方法及试验过程。并对空客和波音公司机载设备雷电感应瞬态敏感度试验方法做了初步介绍。研究成果可供制定机载设备雷电防护要求及试验方案时参考。     

雷击建筑物时防雷系统中雷电流的分布研究

主要讨论雷直击建筑物时雷电流在防雷系统中的分布特性，介绍利用计算机进行数值计算的方法。通过典型算例、传统的电磁暂态计算程序——EMTP的计算结果和利用清华大学高压实验室的冲击大电流发生装置，对此结构模型进行模拟试验，将3种结果进行比较，从而验证了本研究所编制的计算机程序的正确性。为进一步研究室内电磁场的暂态分析做好基础。     

基于数值仿真的飞机雷电流传导通路评估方法

飞行器的雷电防护设计和验证是保障飞行员及飞机安全的必要措施,尤其是随着雷电防护能力较差的复合材料广泛应用。复合材料对雷电流的传导能力远弱于金属,需要为雷电流传导提供额外的通路。本文从国内相关研究极少提及的飞机内部结构电磁建模出发,提出一套飞机内部结构的电磁建模及精度控制方法;构建 F22 飞机左机翼到右机翼的内部金属结构作为雷电流传导通路,基于通用电磁仿真软件进行飞机雷电间接效应仿真;对复合材料蒙皮、金属网蒙皮、金属网蒙皮加内部金属结构三种情况下飞机内部的电磁场及线缆耦合仿真结果进行对比。结果表明:合理的雷电流传导通路设计能够使飞机内部线缆感应的电流强度减半,起到良好的雷电防护效果;该评估方法适用于固定翼飞机的雷电流传导通路设计,能够作为飞机机载设备雷电间接效应试验指标分配的参考依据,便于定位飞机雷电间接效应防护的薄弱环节。     

直11型机雷电防护设计及试验研究

为保证直升机的飞行安全,以及满足适航条例的要求,直升机必须采取雷电防护的措施。本文主要对直11型机机体结构、金属部件、电气设备的搭接情况以及非金属机头罩雷电防护进行研究。介绍了雷电导流条的布置和要求,同时,阐述了雷电试验方法及试验后对直升机所采取的措施,为以后的雷电防护研究提供有价值的参考资料。     

民用飞机短舱复合材料结构雷电直接效应试验验证方法及漆层厚度影响研究

随着飞机设计的发展，复合材料广泛应用于民用飞机短舱结构。由于碳纤维复合材料结构的导电性以及抗雷电损伤能力比铝合金结构差，复合材料短舱结构雷电防护能力已成为影响飞机飞行安全的一项关键问题。依据相关适航条款和相应的国际标准，阐述了民用飞机短舱复合材料雷电防护试验验证方法，并依据验证方法对漆层厚度的损伤影响进行了试验研究。短舱常规蒙皮构型的复合材料试验件，在不同漆层厚度下的雷电防护试验结果表明，漆层较薄时，漆层对短舱复合材料的雷电直接效应防护能力无明显的影响；当漆层厚度达到一定厚度时，较厚的漆层将显著降低短舱复合材料的雷电直接效应防护能力，最严重时将造成复合材料蒙皮的击穿，损伤蒙皮内部系统设备，从而危害飞行安全。试验结果与理论的机理分析具有良好的一致性，对民用飞机短舱复合材料结构的雷电防护设计提供了指导方向和参考意义。     

飞机雷电直接效应综述

飞机的雷电直接效应对飞行安全构成危害,在飞机设计时必须充分考虑这些危害。对比了金属飞机和复合材料在雷电直接效应上的差异,分析了雷电直接效应对各种复合材料的影响,并对燃油系统、电力系统和推进系统等关键部位的雷电危害机理及危害程度进行了全面分析,可为飞机雷电防护设计及试验提供参考。