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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

层合板干涉螺接分层损伤及其临界干涉量

复合材料层合板的干涉配合连接具有优越的性能,是飞机复合材料结构连接的发展趋势。然而,层合板在干涉连接过程中易出现分层损伤。针对以上问题,采用理论建模与有限元模拟方法研究了碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)层合板干涉螺接过程中的分层损伤及其临界干涉量。首先,对CFRP层合板的干涉螺接工艺过程和分层损伤进行力学行为分析;然后,基于虚功原理,建立了各层界面的分层损伤临界轴向力计算模型,结合插钉力与干涉量间的关系,建立临界干涉量的预测模型,求得分层损伤的临界干涉量;最后,采用ABAQUS有限元软件对CFRP层合板干涉螺接过程进行数值模拟,应用内聚力单元建立层合板层间界面,模拟了CFRP层合板在不同干涉量时的分层损伤机理,并通过扫描电子显微镜(SEM)实验观测了细观分层损伤。研究结果显示:干涉量是影响CFRP层合板分层损伤的主要工艺参数;层合板中越靠下边的层间界面,其不产生分层损伤的临界轴向力和临界干涉量越小,即越容易产生分层损伤。     

纤维增强复合材料层合板分层扩展行为研究进展

纤维增强复合材料层合板在航空航天等领域被广泛应用，分层损伤是层合板主要的损伤形式，一直是复合材料力学研究的焦点问题之一。本文从试验研究、理论分析和数值模拟3个方面对国内外在纤维增强复合材料分层问题所取得的研究成果进行了系统综述，重点介绍了单向复合材料I型、Ⅱ型和I/Ⅱ复合型层间断裂韧性测试方法和原理以及多向层合板分层扩展行为的试验研究。得到了表征和评价分层失效机理和扩展行为的纤维桥接模型、静力分层扩展准则和疲劳分层模型，并详细阐述了采用内聚力模型（CZM）、虚拟裂纹闭合技术（VCCT）和扩展有限元方法（XFEM）等先进数值方法模拟分层扩展的研究现状。最后，对复合材料层合板分层扩展研究的发展方向进行了展望。     

复合材料与金属毛化连接试验及仿真分析

针对典型复合材料层合板与钛合金的电子束毛化连接问题,进行了典型拉伸破坏试验,建立有限元细节模型及整体模型,并进行了数值模拟,将分析结果与试验结果进行对比,显示了二者在毛化连接区域的损伤扩展过程、破坏载荷及破坏模式方面基本一致。该数值分析方法可以用于研究复合材料与金属毛化连接。     

铺层比例对层合板连接结构损伤特性影响分析

复合材料螺栓连接结构,其铺层比例、铺层顺序对整体结构连接效率具有重要影响.基于ABAQUS有限元软件平台,对其进行二次开发定义材料损伤退化方法,建立三维渐进损伤模型对不同铺层比例复合材料层合板螺栓连接结构的损伤扩展及破坏特性进行数值模拟分析,计算结果与验证试验结果吻合较好.分析仿真与试验结果表明:对于CCF300/BA9916Ⅱ型复合材料层合板螺栓连接结构,铺层比例对结构连接效率有重要影响,合理确定±45°层比例可以显著提高孔边应力集中区的抗挤压和抗剪切能力,有效改善连接结构的破坏模式;在±45°层比例增加到50％之后,复合材料层合板螺栓连接结构的连接强度将不再显著提高.     

碳纤维复合材料雷电防护特性仿真及试验研究

为了研究不同防护方式下的碳纤维增强型复合材料(CFRP)层合板雷电损伤特性,针对无防护、喷铝涂层防护以及铜网防护的三种CFRP层合板注入D+B+C*雷电流组合波形,通过观察损伤区域、C扫描探测并结合电热耦合与电流密度分布仿真,研究不同防护方式下CFRP损伤特性.研究表明,CFRP损伤类型有树脂烧蚀、纤维断裂、分层等损伤...     

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.     

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%。     

Carbon nanotube protected composite laminate subjected to lightning strike: Interlaminar film distribution investigation

A kind of interlaminar film with carbon nanotubes inserted into polyether ketone with cardo was used for lightning strike protection of composite laminates. The distribution of the interlaminar film was investigated by experimental and numerical methods. Artificial lightning strike tests were conducted for 12-film carbon nanotube and traditional surface silver coating protected specimens. Then corresponding finite element models (FEMs) were established to analyze the lightning strike effect and validated by the experimental results. Based on the FEMs, the number, distribution and thickness of interlaminar film were investigated in order to obtain equivalent protection effect with the traditional surface silver coating. The results show that only the first two layers were damaged for the surface silver coating protected specimen, while 5 layers were ablated for the 12-film protected specimen. Lightning strike damage area of the laminate protected with 5-film carbon nanotube is almost the same as that of the laminate protected with 12-film carbon nanotube. Compared with traditional surface silver coating protection, one film protection with thickness of 360 μm can make the laminate to obtain equivalent damage depth, 54.8% smaller damage area and 58% less additional weight. And reparability of the laminate is better than that of the laminate protected with 5 interlaminar films.     

国产碳纤维复合材料开孔拉伸失效分析与预测

基于国产碳纤维复合材料含孔层合板失效模式和损伤机理研究,结合试验分析建立了符合其失效机理的有限元模型,并在有限元模型中研究了不同失效准则对剩余强度计算结果的影响,通过比较试验数据与数值模拟结果表明:二维模型能比较准确地预测国产碳纤维复合材料含孔层合板的剩余强度,破坏载荷的数值模拟与试验数据的相对误差为7.9%,而拉伸模量的相对误差为5.6%.      

双面贴补层合板压缩屈曲渐进损伤分析

贴补复合材料层合板在压缩载荷作用下的屈曲破坏强度及其损伤演化过程对于复合材料结构修理具有重要意义。本文基于应变和黏聚区模型(CZM)建立了贴补复合材料层合板的渐进损伤分析模型,引入复合材料与胶层的损伤判据和刚度退化方案,计算了结构屈曲强度。数值仿真结果和实验数据吻合较好,验证了模型的有效性。基于该模型,采用非线性有限元方法研究了压缩载荷下双面贴补复合材料层合板的屈曲损伤演化过程,并讨论了补片参数对结构屈曲强度的影响。研究结果表明:双面贴补复合材料层合板屈曲后,处于拉伸和压缩状态下的铺层中的损伤程度存在差异;增大补片直径与厚度可以在一定程度上提高双面贴补复合材料层合板的屈曲强度。     

复合材料层压板圆角区面外受载失效分析

为了研究复合材料层压板圆角区在面外载荷作用下的失效过程,基于ABAQUS有限元软件中的连续壳单元和cohesive单元建立了有限元模型,在该模型中,采用hashin准则预测面内损伤,而对于圆角区分层损伤的起始与扩展,则采用cohesive单元进行模拟。采用该模型对复合材料层压板圆角区在面外载荷作用下的破坏过程进行仿真,仿真结果与试验结果相比较表明:本文建立的有限元分析模型能较好地模拟复合材料层压板圆角区在面外载荷作用下的失效过程,并且能较好地预测该结构的承载能力。