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。     

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...     

含铜网复合材料雷电流直接效应实验研究

为了研究铜网防护层对复合材料的雷击防护效果,采用两种不同雷电流波形,对不同尺寸含铜网(0.25 mm厚)与无铜网防护复合材料试件进行模拟雷电流冲击实验,通过目视损伤观察、光学显微镜放大、超声损伤扫描,对比分析复合材料的雷击损伤程度及特征。结果表明:雷电流波形1,峰值电流分别为50 k A和80 k A时,Type1(150 mm×100 mm)型试件无铜网防护下复合材料的雷击损伤面积和深度分别为1785 mm~2,0.63 mm和3041 mm~2,0.96 mm,而含铜网防护试件基本无损伤;雷电流波形2,峰值电流为40 k A时,Type 2(250 mm×45 mm)型试件无铜网防护下的雷击损伤面积和深度分别为2156.75 mm~2,0.36 mm,而含铜网防护试件损伤面积小于100 mm~2,里层还未损伤;0.25 mm铜网能够承受的最大雷电流强度存在一个门槛值,该门槛值可用作用积分来表示,雷击防护效果与试件尺寸无关,仅与作用积分有关,其对应作用积分门槛值约为85218 A~2·s。     

民用航空发动机短舱雷电防护设计及验证

为了有效降低短舱雷电防护设计和验证的难度,针对短舱的雷电防护设计和验证,提出一种导电路径仿真与关键连接结构仿真、试验迭代的研究方法。对整个短舱进行雷电流传导路径设计及简化建模,分别讨论不同传导路径方案对雷电直接效应和间接效应的影响。结果表明:优化的多路径传导可有效减小传导结构的雷电流分量和短舱内的脉冲电磁场;依据整体短舱电流分布仿真结果,可导出具体连接结构的电流分量作为其设计和验证的依据。所提出的方法可作为短舱雷电防护设计和验证的理论依据。     

碳纤维复合材料基体改性/铜网组合雷击防护性能的研究

传统碳纤维复合材料（CFRP）树脂基体导电性差易遭受雷击损伤,本文使用石墨烯-镀镍碳纤维粉作为导电填料,对树脂基体进行电导率改性,并在表面铺设铜网,进行模拟雷电流冲击试验,检验基体改性/铜网组合雷击防护效果。试验结果表明,树脂基体改性后CFRP层压板在0°、90°纤维方向及厚度方向电导率分别为1.1571×10⁴、1.0871×10⁴、204.2 S/m,分别提高1.54倍、1.16倍、433.47倍。200 kA模拟雷电流A波冲击下,无防护试件雷击附着后明火燃烧,次生效应持续,而单一铜网防护和组合防护则能抑制次生效应;无防护表面最大损伤直径14.62 cm,此能量下铜网被击穿,单一铜网防护表面最大损伤直径19.05 cm,而组合防护表面最大损伤直径8.93 cm,下降53.12%;相比无防护试件,单一铜网和组合防护内部损伤面积分别下降66.2%和96.7%。单一铜网击穿后,树脂烧蚀后产生汽化反冲,增大损伤铜网脱落面积;组合防护铜网击穿后,改性树脂迅速导走电流,减小铜网脱落和内部烧蚀面积。     

复合材料整体油箱雷电防护试验研究

为了验证采用铺贴铝网复合材料整体油箱雷电防护设计效果,设计了雷电防护试验件,给出了试验方法,并通过模拟雷电环境,对整体油箱进行了雷电直接效应试验。结果表明:做了钉头密封并在结构表面采取了铝网防护的区域,没有火花产生,油箱内部温度均低于800℃;入击点直接入击到钉头上时,破坏性最大,周边结构烧蚀面积和内部分层面积都比其他情况严重;在连接件处没有覆盖铝箔网时钉损伤严重,且部分钉内部有火花产生。采用铺贴铝箔网设计的复合材料整体油箱雷电防护方法有效,但结构设计一定要保持电连续。     

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。     

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。     

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%。     

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。     

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.     

飞机新型抗雷击复合材料研究进展

复合材料导电性差,一旦遭受雷击,便会产生严重的损伤。随着复合材料在飞机上的用量越来越大,如何对复合材料进行雷电防护,保证飞机遭遇雷击后能够继续安全飞行,成为飞机设计中的一个难点。文中首先分析了复合材料在雷击时的损伤机理,之后介绍了近几年来新型的复合材料雷电防护方法,并结合上述方法,为新型飞机复合材料雷电防护提出了建议。     

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。     

闪电防护铜网在航空复材制件VARI成型工艺中的树脂导流应用

复合材料在民机结构中的大量应用对航空复材制件的闪电防护提出了新的要求,与此同时,以VARI工艺为代表的复材液体成型技术愈发受到关注,常用导流网在VARI工艺中造成浪费也易引起质量问题,结合这两方面的需求,提出将闪电防护铜网用作导流介质,在表面应用类的航空复材制件的VARI成型工艺中,将铜网的闪电防护作用和树脂导流作用进行集成,并对闪电防护铜网在VARI工艺中的树脂导流作用进行了试验分析,研究了引入铜网导流后VARI制件的注胶情况、铜网层数对树脂渗透率的影响,以及制件最终成型效果和表面质量。本研究对于丰富复材VARI成型工艺技术手段,提升VARI工艺的综合经济性,进一步拓展VARI工艺在民机复材结构中的应用都具有积极意义。     

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。     

直升机雷电电磁环境仿真分析

为了提高直升机对雷电的防护能力,根据标准SAE-ARP5416A规定的试验方法,使用COMSOL软件中对某直升机简化模型注入雷电流A波,由此来分析其遭受雷击时机舱内外的电磁环境。分析了直升机机体上的开孔对舱室内部电磁场分布的影响。仿真结果表明,雷电电流在机身上存在不均匀分布现象。电场强度和磁场强度随着空间位置与雷电路径距离的增加而减小。机身为金属结构,对电磁场有一定的屏蔽作用,但是机头的玻璃开孔又降低了整体金属机舱的屏蔽性能。该仿真结论能够对直升机遭遇雷击时的间接效应进行有效分析,进而指导直升机的防雷设计。     

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。     

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。     

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。