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        基于電熱耦合效應(yīng)的CFRP復(fù)合材料雷電損傷與防護(hù)研究

        2022-12-02 09:12:06尹鳳琳孫穎力杜鳴心魏興
        強(qiáng)度與環(huán)境 2022年5期
        關(guān)鍵詞:金屬網(wǎng)雷電復(fù)合材料

        尹鳳琳 孫穎力 杜鳴心 魏興

        (1北京航天發(fā)射技術(shù)研究所,北京,100076;2西安愛邦電磁技術(shù)有限責(zé)任公司,西安,710074)

        0 引言

        雷電以其上百千伏的高電壓和50~200kA峰值電流,產(chǎn)生的巨大能量對于航空飛行器的安全飛行產(chǎn)生極大威脅[1][2]。雷電也成為地面裝備執(zhí)行任務(wù)面臨的重大威脅之一,雷電直接損傷效應(yīng)將直接帶來地面裝備損傷及破壞,影響地面裝備使用。近年來,出于減重等目的,具有性能可設(shè)計(jì)性、高比強(qiáng)度和比剛度、疲勞性能好、耐腐蝕、可整體成型和多功能一體化等優(yōu)勢[3]的CFRP材料在地面裝備典型部件上應(yīng)用越來越廣泛。在雷電擊中CFRP材料時,由于其導(dǎo)電性能差,將產(chǎn)生嚴(yán)重的熔蝕和燒傷損傷[4],給地面裝備帶來重大安全隱患,因此,CFRP材料的雷電損傷防護(hù)是近來航天航空領(lǐng)域備受關(guān)注的工程問題[5]。不僅如此,地面裝備典型結(jié)構(gòu)件直接雷擊防護(hù)也具有相對迫切需求。

        目前航空航天領(lǐng)域內(nèi)CFRP材料雷擊直接效應(yīng)損傷的防護(hù)常見措施有表面敷設(shè)延展金屬網(wǎng)箔法、表面鋁涂層法、表面層強(qiáng)化法、成套電路法和復(fù)合膠膜法等。其中,表面敷設(shè)延展金屬網(wǎng)箔法是將鋁或銅質(zhì)的延展金屬網(wǎng)箔[6],一體成型敷設(shè)在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件表面,此方法具有保護(hù)層厚度小、質(zhì)量輕,敷設(shè)工藝簡單、成品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、損傷易修復(fù)以及能夠適應(yīng)大曲率外形零件等諸多優(yōu)勢,在較大范圍內(nèi)推廣使用[7]。研究表面敷設(shè)金屬網(wǎng)的CFRP板材在雷電直接效應(yīng)下的防護(hù)作用機(jī)制及其損傷模式,對于評估雷擊防護(hù)方案有效性,實(shí)現(xiàn)減重與防雷多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義。

        1 敷設(shè)金屬網(wǎng)的CFRP板材雷擊模型

        雷擊損傷問題屬于復(fù)雜的多物理場耦合問題,敷設(shè)有金屬網(wǎng)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)雷擊損傷問題不但包含了多物理場耦合問題,還包括了多材料與多損傷模式耦合的問題。

        國內(nèi)外多個團(tuán)隊(duì)采用數(shù)值模擬的手段對此進(jìn)行研究。張彬[8]、姚學(xué)玲[9]等利用仿真數(shù)值手段,基于CFRP雷擊損傷熱-電耦合模型,研究了雷電流幅值、電量、比能等因素與CFRP材料燒蝕、分層等多種損傷模式的破壞程度的關(guān)系。上述CFRP復(fù)合材料三維雷擊損傷模型均采用基體材料熱裂解作為損傷判據(jù),即在相應(yīng)的熱-電耦合模型中,認(rèn)為材料某點(diǎn)上累積的熱量導(dǎo)致該點(diǎn)溫度上升到基體裂解溫度時,該點(diǎn)處的基體材料就發(fā)生了燒蝕損傷。

        本文使用的雷電金屬網(wǎng)的制作流程是將銅箔通過延展、切割出縫、均勻拉伸,然后再壓制形成一定厚度的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。成品平均厚度約7.5×10-5mm,如圖1所示,195g金屬網(wǎng)單元格主要參數(shù)可見圖2。

        圖1 延性金屬網(wǎng)外觀Fig.1 Ductile metal appearance

        圖2 195g金屬網(wǎng)單元格主要參數(shù)Fig.2 Main parameters of 195g metal mesh cell

        在考慮銅自身電導(dǎo)率和導(dǎo)熱系數(shù)均勻的基礎(chǔ)上,由于金屬網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特性,單位體積內(nèi)長菱邊方向和短菱邊的等效質(zhì)量和截面積均不一致,從而使得金屬網(wǎng)成為一個電導(dǎo)率和導(dǎo)熱系數(shù)各向異性材料。本文中將垂直于金屬網(wǎng)菱形網(wǎng)格長菱邊接地方式稱為長邊接地,將垂直于金屬網(wǎng)菱形網(wǎng)格短菱邊接地方式稱為短邊接地[10]。由于金屬網(wǎng)厚度方向的尺寸與被防護(hù)材料的尺寸之間差異極大,常規(guī)的建模方式在滿足金屬網(wǎng)精細(xì)建模條件下,使得整個結(jié)構(gòu)網(wǎng)格數(shù)量及其龐大,嚴(yán)重影響計(jì)算效率,無法滿足工程需要。因此需要采取適當(dāng)方式在不改變金屬網(wǎng)上電-熱傳導(dǎo)的各向異性特征的基礎(chǔ)上對金屬網(wǎng)模型進(jìn)行簡化。

        綜上,為了方便工程計(jì)算,將CFRP復(fù)合材料和金屬網(wǎng)均等效為各向異性模型。其中金屬網(wǎng)的等效電導(dǎo)率與金屬網(wǎng)的等效截面積有關(guān),等效導(dǎo)熱系數(shù)與該方向等效單位質(zhì)量有關(guān)。其中金屬網(wǎng)、CFRP材料各方向雷電作用下的等效電傳導(dǎo)參數(shù)通過小電流雷電脈沖試驗(yàn)測量確定,等效導(dǎo)熱系數(shù)按照金屬網(wǎng)及其孔隙處為基體材料參數(shù)計(jì)算得出[11]。

        2 雷電損傷仿真分析

        2.1 結(jié)構(gòu)模型

        為了便于和試驗(yàn)數(shù)據(jù)比對,本文的結(jié)構(gòu)模型參照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),其尺寸為500mm×500mm。為此建立了4mmCFRP+7.5×10-5mm金屬網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)層合板。將CFRP和金屬網(wǎng)以實(shí)際尺寸進(jìn)行建模處理。電流注入點(diǎn)為仿真模型中上表面正中心位置,金屬網(wǎng)采用單側(cè)接地,如圖3,仿真中其余邊界均進(jìn)行電絕緣和熱絕緣設(shè)置。

        圖3 建模示意圖Fig.3 Modeling diagram

        為了兼顧計(jì)算精度與效率,整體材料使用三種剖分網(wǎng)格:單層CFRP材料使用棱柱網(wǎng)格,多層材料按照不同方向進(jìn)行疊加,金屬網(wǎng)表面采用三角形網(wǎng)格進(jìn)行剖分,并且按照上表面網(wǎng)格方式進(jìn)行厚度方向上的掃掠劃分。為了更準(zhǔn)確反應(yīng)金屬網(wǎng)與CFRP材料參數(shù)差異,將分界面處的網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理,網(wǎng)格尺寸介于0.01~5mm,如圖4所示。

        圖4 網(wǎng)格剖分示意圖Fig.4 Schematic diagram of grid generation

        2.2 電熱耦合方程

        本文重點(diǎn)研究雷電流對敷設(shè)金屬網(wǎng)的CFRP板材造成損傷的過程中,電流按焦耳定律產(chǎn)生大量熱量對敷設(shè)金屬網(wǎng)的復(fù)合材料板造成燒蝕損傷。仿真中注入點(diǎn)雷電流參考標(biāo)準(zhǔn)SAE ARP 5412A[12]中的電流A分量,其理論表達(dá)式為:

        其中,I0=218810A,α=11354s-1,β=647265s-1。波形如圖5所示。

        圖5 SAE ARP 5412A中的電流A分量波形Fig.5 Current A component waveform of SAE ARP 5412A

        雷電流因焦耳定律產(chǎn)生的熱量

        溫度分布符合方程:

        其中,熱傳導(dǎo)過程符合傅里葉傳導(dǎo)定律:

        金屬材料電阻率與溫度的關(guān)系如式(9)

        其中,ρ0為參考溫度Tref下的參考電阻率。

        2.3 損傷模擬及判據(jù)

        銅在1083℃發(fā)生熔化,金屬網(wǎng)失去保護(hù)作用。同時,CFRP復(fù)合材料樹脂熱解行為開始于300℃,材料性能參數(shù)隨之發(fā)生退化,3316℃時纖維升華,本文認(rèn)為此時電流作用區(qū)域復(fù)合材料喪失承載能力,雷電及其產(chǎn)生的熱載荷進(jìn)一步向下作用。本文分別使用溫度300℃、1083℃和3316℃基體、金屬網(wǎng)和纖維燒蝕損傷的判據(jù)。

        3 仿真結(jié)果分析

        如前所述,通流能力和燒蝕效應(yīng)是影響敷有金屬網(wǎng)的CFRP板件雷電損傷的主要因素,區(qū)分兩類情況進(jìn)行仿真分析。

        3.1 CFRP裸板平板結(jié)構(gòu)雷電損傷分析

        CFRP纖維方向電導(dǎo)率遠(yuǎn)大于垂直于纖維方向電導(dǎo)率,流入復(fù)合材料板的電流主要沿導(dǎo)電性良好的纖維方向傳導(dǎo)[13],產(chǎn)生的溫度場與各層纖維方向強(qiáng)相關(guān)。第一層碳纖維材料0°方向鋪設(shè),面內(nèi)溫度場主要沿纖維方向,在垂直于纖維方向擴(kuò)展很小,表層損傷表現(xiàn)為沿纖維方向的帶狀損傷。纖維方向?yàn)?0°的第二層,溫度場方向受本該層纖維方向和上層纖維方向的雙重影響,在上層纖維方向傳導(dǎo)熱和本層纖維方向電阻熱的共同作用下,第二層熱損傷呈圓形分布;當(dāng)電流傳導(dǎo)至第三層時,強(qiáng)度已大幅降低,熱源主要來自第二層的熱傳導(dǎo),該層熱損傷區(qū)域?yàn)闄E圓形,橢圓長軸沿上層的90°方向。

        圖6 CFRP平板結(jié)構(gòu)損傷仿真 Fig.6 Damage simulation of CFRP plate structure

        3.2 表面敷設(shè)金屬網(wǎng)后復(fù)合材料燒蝕分析

        碳纖維復(fù)合材料的損傷數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表1。在金屬網(wǎng)的保護(hù)下,復(fù)合材料板損傷顯著降低,特別是在深度方向上損傷急劇下降。經(jīng)分析,金屬網(wǎng)越輕,碳纖維復(fù)合材料損傷面積和深度越大;金屬網(wǎng)越重,碳纖維復(fù)合材料損傷面積和深度越小。長邊方向接地?fù)p傷小于短邊方向接地。損傷在不超過最大邊界時,可以看出損傷的形狀與網(wǎng)的形狀類似,為長邊方向損傷大于短邊方向損傷。碳纖維的損傷范圍相比金屬網(wǎng)更大,但是復(fù)合材料損傷除雷擊區(qū)域較深,其余部分僅在表層一定深度上損傷。

        表1 碳纖維復(fù)合材料損傷數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)(單位:mm) Table1 The damage Statistic of carbon fiber composite

        圖7 73g金屬網(wǎng)/CFRP損傷(短邊接地,厚度100:1)Fig.7 Damage of 73g copper wire mesh/CFRP(Short side grounding, thickness 100:1)

        圖8 73g金屬網(wǎng)/CFRP損傷(長邊接地,厚度100:1)Fig.8 Damage of 73g copper wire mesh/CFRP(Long side grounding, thickness 100:1)

        圖9 107g金屬網(wǎng)/CFRP損傷(短邊接地,厚度100:1)Fig.9 Damage of 107g copper wire mesh/CFRP(Short side grounding, thickness 100:1)

        圖10 107g金屬網(wǎng)/CFRP損傷(長邊接地,厚度100:1)Fig.10 Damage of 107g copper wire mesh/CFRP(Long side grounding, thickness 100:1)

        圖11 195g金屬網(wǎng)/CFRP損傷(短邊接地,厚度100:1)Fig.11 Damage of 195g copper wire mesh/CFRP(Short side grounding, thickness 100:1)

        圖12 195g金屬網(wǎng)/CFRP損傷(長邊接地,厚度100:1)Fig.12 Damage of 195g copper wire mesh/CFRP(Long side grounding, thickness 100:1)

        與CFRP裸板平板結(jié)構(gòu)相似,金屬網(wǎng)的燒蝕與金屬網(wǎng)長短邊的電阻率與熱導(dǎo)率密切相關(guān)。根據(jù)金屬網(wǎng)的燒蝕區(qū)域形態(tài)分析認(rèn)為,金屬網(wǎng)的燒蝕與流經(jīng)的雷電流方向、密度密切相關(guān):金屬網(wǎng)的導(dǎo)電性遠(yuǎn)優(yōu)于CFRP復(fù)合材料,電流主要向地流動,燒蝕也向接地方向擴(kuò)展。長邊電阻較低,長邊接地時,電流擴(kuò)散更快,電流密度下降較多,金屬網(wǎng)損傷較小。

        4 試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

        4.1 試驗(yàn)方法

        試驗(yàn)件設(shè)計(jì)為500mm×500mm×4mm的0°/90°正交CFRP層合板,表面分別為無防護(hù)、敷設(shè)73g、107g和195g金屬網(wǎng)。依據(jù)SAE ARP5416A規(guī)定的大電流注入法要求,注入峰值為200kA的A波雷電流。

        圖13 A分量200kA雷電流注入試驗(yàn)Fig.13 Lightning current injection test of a component of 200kA

        采用超聲水浸法對雷擊后試驗(yàn)件進(jìn)行損傷檢測,如圖15所示。

        圖14 超聲水浸法復(fù)合材料損傷檢測Fig.14 Damage detection of composite materials by ultrasonic immersion method

        圖15 金屬網(wǎng)燒蝕仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比Fig.15 Comparison between the damage simulation results and test results of compound material

        試驗(yàn)?zāi)恳暯Y(jié)果、仿真結(jié)果和進(jìn)行超聲C掃描(后文簡稱C掃)結(jié)果對比如圖16。

        C掃損傷結(jié)果包含了金屬網(wǎng)損傷和復(fù)合材料損傷。整體來看復(fù)合材料的目視損傷范圍與形貌、仿真中損傷范圍、形貌均與C掃損傷范圍、形貌均有較好的一致性。

        4.2 損傷結(jié)果及其影響因素分析

        1)在燒蝕損傷判據(jù)條件下,電流密度及其產(chǎn)生的熱量是燒蝕損傷的主要因素。電流流經(jīng)無防護(hù)條件CFRP材料時,因材料自身的高電阻率產(chǎn)生的焦耳熱是造成熱損傷的主要因素,焦耳熱在極短時間內(nèi)形成了方向性極強(qiáng)條帶狀或橢圓形的溫度場。

        2)金屬網(wǎng)相對于CFRP裸板具有更好的導(dǎo)電性,承擔(dān)了大部分雷電流密度,從而降低了流經(jīng)被保護(hù)的CFRP板件的電流。金屬網(wǎng)保護(hù)下的復(fù)合材料表面損傷形態(tài)與沒有防護(hù)的復(fù)合材料板件的第二層形態(tài)相似,都呈橢圓形,長軸是上一層電流主要傳導(dǎo)方向。

        3)金屬網(wǎng)自身的導(dǎo)流能力決定了防護(hù)能力。以雷電流注入點(diǎn)附近燒蝕區(qū)域分析為例,在雷電流作用下有大面積的梗絲熔斷,如圖16所示。金屬網(wǎng)對于CFRP材料的雷電防護(hù)主要通過利用金屬網(wǎng)自身良好的導(dǎo)電性,保證雷電注入電流主要沿金屬網(wǎng)傳導(dǎo),隨著梗絲分成多束電流細(xì)絲。在這個過程中,金屬絲將因電弧熱和電阻熱產(chǎn)生的高溫被融化,失去保護(hù)能力,雷電損傷將繼續(xù)作用在CFRP材料上。

        圖16 雷擊之后的金屬網(wǎng)X光照片F(xiàn)ig.16 X-ray photo of copper wire mesh after lightning strike

        4)在雷電流注入點(diǎn)和接地點(diǎn)之間的,沿著電流方向存在一些較大面積的點(diǎn)狀破壞區(qū)域,這是因?yàn)槔纂娏鳟a(chǎn)生的電阻熱局部過熱,傳導(dǎo)給CFRP材料,導(dǎo)致基體產(chǎn)生損傷,從而出現(xiàn)燒蝕區(qū)域沿電流方向擴(kuò)散的趨勢。

        5)金屬網(wǎng)燒蝕之后,保護(hù)能力喪失,但由于電流的趨膚效應(yīng),其他位置的金屬網(wǎng)仍然能夠成為電流傳導(dǎo)的主要路徑,從而抑制了基體燒蝕損傷進(jìn)一步擴(kuò)大。

        5 結(jié)論與建議

        本文結(jié)合各向異性等效參數(shù)對敷設(shè)金屬網(wǎng)的CFRP層合板開展建模仿真,采用基于溫度閾值的雷電流燒蝕損傷判據(jù),對其電流密度和溫度分布、損傷效應(yīng)開展有限元仿真,并將仿真與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比,結(jié)果表明等效建模仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)論具有較好的一致性,可較真實(shí)地體現(xiàn)金屬網(wǎng)的雷擊保護(hù)作用及其影響因素,仿真方法可以用于雷電防護(hù)設(shè)計(jì)及其防護(hù)性能驗(yàn)證與評估。

        根據(jù)仿真與試驗(yàn)結(jié)果,在防護(hù)設(shè)計(jì)建議如下:

        1) 在采用金屬網(wǎng)作為雷電防護(hù)手段是,需要優(yōu)先根據(jù)被保護(hù)對象所處的雷電環(huán)境的最大電流情況,根據(jù)克重較高的金屬網(wǎng)防護(hù)效果優(yōu)于低克重金屬網(wǎng)這一基本原則,選擇合適參數(shù)的金屬網(wǎng),使其即能起到防護(hù)作用,有避免過設(shè)計(jì),導(dǎo)致結(jié)構(gòu)重量增加。

        2) 在設(shè)計(jì)金屬網(wǎng)鋪設(shè)方式時,由于同克重的金屬網(wǎng),長邊電導(dǎo)率優(yōu)于短邊電導(dǎo)率,因而長邊方向盡可能平行于電流傳導(dǎo)方向(通常是接地方向),從而能夠更好地發(fā)揮防護(hù)效果。

        3) 在防護(hù)區(qū)域較窄時,或者重量要求較高的情況,僅強(qiáng)化雷電流注入點(diǎn)處(即防護(hù)結(jié)構(gòu)雷電附著點(diǎn))的通流能力,也能夠起到相應(yīng)的防護(hù)作用。

        通過以上結(jié)論可以較好的應(yīng)用到航空航天領(lǐng)域雷電直接效應(yīng)防護(hù)設(shè)計(jì)中,應(yīng)用到地面裝備雷電附著區(qū)域內(nèi)的典型結(jié)構(gòu)中可以較好的實(shí)現(xiàn)雷擊防護(hù)設(shè)計(jì),具有指導(dǎo)意義。

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