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%。     

Thermal damage analysis of aircraft composite laminate suffered from lightning swept stroke and arc propagation

Lightning strike is a complicated process involving multi-field coupling. In order to investigate the thermal damage mechanism of carbon fiber reinforced composites subject to lightning swept stroke, a complete numerical method is presented. Numerical model of lightning discharge is established based on Magneto Hydro Dynamics (MHD) and calculated by FLUENT secondary development technology. Considering aerodynamic flow effect, channel formation and evolution process during lightning discharge is analyzed for lightning current waveform A. Thermal-electric Coupling model is presented according to Radial Basis Function (RBF) interpolation theory, which is implemented by compiling program to make lightning current and heat energy inject into composite laminate. Consequently, damage mechanism of composite laminate under lightning swept stroke is studied based on the coupled numerical model and element deletion method. Ablation damage morphology of composite laminate is analyzed to understand plasma expansion and reattachment in arc root. The results show that aerodynamic flow makes the lightning channel move fast and composite laminate is deteriorated due to thermal damage.     

复合材料层合板雷击烧蚀损伤模拟

 为解决复合材料层合板的雷击烧蚀问题,通过复合材料层合板雷电流烧蚀的热-电-结构耦合分析,建立复合材料层合板烧蚀的三维有限元模型。利用删除单元法模拟复合材料层合板在不同脉冲波形雷电流作用下的冲击响应,进行复合材料层合板雷击损伤机理和损伤模式分析,得出了复合材料层合板在不同脉冲波形和峰值雷电流作用下的瞬态热传递和热烧蚀规律。分析了不同雷电流参数对烧蚀结果的影响。结果表明峰值电流、放电量和比能对复合材料层合板的烧蚀尺寸和内部损伤产生很大的影响。     

层间增韧复合材料研究

研究了一种采用在复合材料层压板间插入韧性薄膜的方法，改善复合材料层压板层间韧性和损伤容限的技术。有限元分析和层间断裂韧性试验结果表明，层间加胶层复合材料层压板的层间应力有明显下降，层间断裂韧性有显著的增加。     

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。     

含紧固件层合板雷击烧蚀损伤分析

为了研究含紧固件复合材料层合板在雷击电流作用下的烧蚀损伤规律,基于热电耦合建立含紧固件层合板的雷击有限元分析模型,并对雷击烧蚀损伤结果进行分析,与参考结果对比验证模型的合理性,并分析得到含紧固件层合板在不同峰值电流、紧固件尺寸、层合板宽度比条件下的烧蚀损伤结果,总结不同因素影响下烧蚀损伤面积的变化规律。结果表明:雷击峰值电流、紧固件的尺寸、层合板的宽度对含紧固件层合板烧蚀损伤面积具有极大的影响,相同的雷击电流波形,峰值150 kA雷击电流导致的烧蚀损伤面积是峰值50 kA的15.39倍;紧固件越小,烧蚀损伤面积越大,分层损伤面积越大,其中,当紧固件直径减小至1/2时,烧蚀损伤面积最大可增加4.97倍,分层损伤面积最大可增加1.91倍;层合板损伤面积随宽度的增加先增大后减小,最后趋于平稳,其中最大损伤面积与最小损伤面积的比值可达1.81倍,且比值随着紧固件直径的增加而增大。     

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。     

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。     

飞机雷电防护设计与鉴定试验

飞机遭受雷击后产生强大的雷电流,它严重的威胁飞行的安全.本文分析了雷电造成的危害,并论述了飞机结构设计应为雷电流提供低阻抗的通路.对雷击放电敏感的部位和部件,必须根据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.     

基于碳纳米管薄膜的复合材料层间增韧

通过浮动催化化学气相沉积法制备连续碳纳米管薄膜，并将其原位沉积到单向碳纤维织物表面，手工铺层后借助真空辅助树脂传递模塑成型（VARTM）工艺制备碳纳米管-碳纤维/环氧树脂复合材料层压板，研究不同面密度的碳纳米管薄膜对层压板Ⅱ型层间断裂韧性的影响。结果表明，随着碳纳米管薄膜面密度的增加，层压板Ⅱ型层间断裂韧性先逐渐提高，当碳纳米管薄膜面密度为9.64 g/m²时，层压板Ⅱ型层间断裂韧性最佳，与原始层压板相比提高了94%。碳纳米管通过桥接树脂裂纹、从树脂中拔出等方式提高层间断裂韧性。当碳纳米管面密度超过临界值时，会引起树脂浸润困难，导致增韧效果降低。     

CFRP三维铣削仿真模型的建立及层间损伤分析

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)具有层间结合强度低、各向异性等特点,切削过程中易产生层间损伤。为了对CFRP铣削加工过程中的层间应力、层间损伤进行研究,建立了复合材料三维铣削仿真模型。该模型在结构上采用等效均质建模,层内单元利用VUMAT子程序建立了三维Hashin起始失效准则以及损伤演化过程模型,层间采用Cohesive单元连接以模拟层间损伤的产生及扩展。通过与实验切削力数值的比较,验证了仿真模型的准确性。利用该模型分析了切削力、层间应力及层间损伤随纤维方向角(0°、45°、90°、135°)的变化规律。结果表明:铣削过程加工损伤主要集中在近工件表面。铣削力、层间应力、层间损伤受纤维方向角的影响,纤维方向角为90°与135°时,轴向铣削力较大,层间应力与层间损伤均随纤维方向角的增加而增大,纤维方向角为135°时,层间应力最大,层间损伤最严重。     

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。     

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。     

Microstructural characterization and mechanical behavior analysis of 7075-T6 aluminum subjected to simulated lightning strikes

Aircrafts damages caused by lightning strikes have been known since the early days of aviation. However, the physical effects on the aircraft structure are still being investigated. This work seeks to evaluate the lightning strike effects in the aluminum alloy 7075-T6. Samples were submitted to lightning strike simulation in laboratory and the damages evaluated through characterization techniques. Ultrasound and profilometry tests have shown material loss to 0.272 mm depth in the damaged region. In addition, it was detected the material accumulation occurrence in the damage vicinity of the region. Below the damage, it was found a region where metallurgical changes were identified. The tensile and microhardness tests results have shown reduction in the percentage elongation and hardness increasing in the material affected by lightning. These results are corroborated by the X-Ray Diffraction (XRD) and Rietveld Method (red line) that indicated an increasing in dislocation density and micro-deformation in the material matrix. Optical microscopy results have shown the presence of microcracks on the normal and cross-section surface of the samples damaged. The Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy (EDXS) and Electron Backscattered Diffraction Test (EBSD) found coarse intermetallic phases and precipitates compounds with dimensions greater than 1 μm in length. They were responsible for nucleation of the microcracks that propagate along the material grain boundaries.     

Analysis of composite laminates with intra- and interlaminar damage

Failure process of composite laminate under quasi-static or fatigue loading involves sequential accumulation of intra- and interlaminar damage. Matrix cracking parallel to the fibres in the off-axis plies is the first intralaminar damage mode observed. These cracks are either arrested at the interface or cause interlaminar damage (delamination) due to high interlaminar stresses at the ply interface. This paper summarises recent theoretical modelling developed by the authors on stiffness property degradation and mechanical behaviour of general symmetric laminates with off-axis ply cracks and crack-induced delaminations. Closed-form analytical expressions are derived for Mode I, Mode II and the total strain energy release rates associated with these damage modes. Dependence of strain energy release rates on crack density, delamination area and ply orientation angle in balanced and unbalanced symmetric laminates is examined and discussed. Also, stiffness degradation due to various types of damage is predicted and analysed.     

有限宽层合板边界效应影响拉伸强度的修正方法

 本文分析了[0/90]_s,[45/-45]_s,以及π/4层合板的有限宽碳/环氧层合板在不同宽度下的拉伸强度。发现导致层合板过早破坏的原因,除了由于层间应力引起分层破坏外,主要是分层后的叠合铺层强度低于层合板强度;并给出了一般均衡对称的π/4层合板用有限宽试样测试拉伸强度时由于边界效应影响的修正方法。这是一种基于试验结果的经验方法。     

某型飞机复合材料后机身闪电防护设计及应用研究

飞机的防雷击设计是现代飞机设计的一个重要组成部分,由于复合材料的抗雷击损伤能力比铝合金差,所以必须有可靠的防雷击系统才能保证飞机的飞行安全。以复合材料后机身作为研究对象,详细探讨了闪电防护的方案设计和应用研究及其适航符合性说明。     

纤维表面处理对PBO/ 环氧界面性能的影响

为提高PBO纤维/环氧树脂的剪切强度,采用聚合物涂层法对PBO纤维进行表面改性。通过NOL环复合材料层间剪切强度测试,研究不同浓度的表面涂层处理液、不同浸渍工艺对复合材料层间剪切强度的影响。结果表明:PBO纤维表面经不同涂层处理液处理后,层间剪切强度均高于未经表面处理的;当PBO纤维经过以涂层A为一浴浸渍液、涂层B为二浴浸渍液的两次浸渍工艺处理后,层间剪切强度最高,比未经表面处理的提高了61%。     

一种交织铺层结构层合板性能

结合复合材料自动纤维铺放(AFP)技术,提出了一种交织铺层结构层合板成型方法,制备了非交织、交织正交层合板、非交织、两向交织和四向交织准各向同性层合板复合材料,并对交织铺层结构复合材料的层间结构和性能进行了分析研究。结果表明:交织正交层合板的拉伸、压缩、弯曲性能较非交织板性能均有所下降,但其层间剪切性能有明显提高,提高幅度约为16%;随着交织铺层组厚度的增加,交织层合板的拉伸性能呈下降趋势;交织层合板的开孔后拉伸、开孔后压缩和冲击后压缩强度保持率均高于非交织板,且冲击后分层损伤面积明显低于非交织板。交织铺层结构层合板相对于普通非交织层合板具有更好的损伤容限能力。