朱雪蒙,常新龍,何相勇,胡 寬,杜鳴心

(1.火箭軍工程大學(xué) 導(dǎo)彈工程學(xué)院,西安 710025;2.西安愛邦電磁技術(shù)有限責(zé)任公司,西安 710077)

0 引言

碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料(CFRP)具有高強(qiáng)度、高模量、低密度的特性,在結(jié)構(gòu)輕量性應(yīng)用方面具有潛在的優(yōu)異價值,廣泛應(yīng)用在火箭發(fā)動機(jī)殼體、整流罩、飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼蒙皮等結(jié)構(gòu)上,已逐步發(fā)展為航空航天領(lǐng)域的主結(jié)構(gòu)材料[1-2]。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料因其相對較低的電導(dǎo)率和各向異性,在遭遇雷擊時會出現(xiàn)樹脂燒蝕、纖維斷裂等不可逆轉(zhuǎn)損傷[3-4],嚴(yán)重威脅飛行器飛行安全。因此,關(guān)于碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的雷擊損傷研究十分重要。

國內(nèi)外研究人員圍繞碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料雷擊損傷問題進(jìn)行了大量探索工作[5-9]。HIRANO等[10]認(rèn)為雷擊下CFRP的損傷可分為纖維損傷、樹脂劣化和內(nèi)部分層三種模式。損傷演化受復(fù)合材料各向異性的電熱物理性能影響,電流峰值與損傷程度密切相關(guān)。SUN等[11]利用西安交通大學(xué)多重連續(xù)雷擊測試系統(tǒng)探究了不同組合時序電流分量下CFRP的損傷特性,發(fā)現(xiàn)雖然單分量與該分量處于多重組合電流分量中時造成的雷擊損傷效果存在較大差異,且前序電流分量的注入對后序電流分量的作用也有影響,但損傷模式?jīng)]有變化。人工模擬雷擊試驗(yàn)需要在短時間內(nèi)釋放極大能量,對試驗(yàn)設(shè)備、環(huán)境和人員具有較高要求,試驗(yàn)成本也相應(yīng)提高。因此,數(shù)值模擬方式研究復(fù)合材料雷擊損傷成為主流[12-14]。OGASAWARA等[15]最早建立了雷電流作用下復(fù)合材料的電-熱耦合模型,根據(jù)熱重分析實(shí)驗(yàn),評估300～600 ℃的CFRP的內(nèi)部損傷,估計(jì)的內(nèi)部損傷面積與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致,且厚度方向電導(dǎo)率與溫度之間的關(guān)系對數(shù)值模擬影響較大。ABDELAL等[16]提出一種改進(jìn)的復(fù)合材料雷擊損傷電-熱耦合分析方法,將材料的熱電物理特性建模為溫度的函數(shù),模擬燒蝕分解狀態(tài)的材料特性。

本文首先對碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行了不同峰值下的雷電流A分量雷擊損傷試驗(yàn),通過外觀檢查和超聲C掃描分析CFRP的表觀損傷和內(nèi)部損傷特征,研究雷電流A分量下碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的損傷特性。基于COMSOL建立了CFRP的雷擊損傷電熱耦合模型,分析復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在雷電流下的電場分布,探討焦耳熱效應(yīng)對復(fù)合材料熱損傷的影響,為航天航空用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)防雷設(shè)計(jì)提供理論參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料通過纖維纏繞成型,固化后,纖維體積分?jǐn)?shù)約為55%,總厚度為4 mm,鋪層為[0°/90°]交叉鋪設(shè),共6層,每層厚度為0.667 mm。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SAE ARP 5416[17]將試件切割為500 mm×500 mm,如圖1(a)所示。利用西安愛邦電磁技術(shù)有限責(zé)任公司雷電環(huán)境實(shí)驗(yàn)室的沖擊電流發(fā)生器進(jìn)行雷擊試驗(yàn)。參照標(biāo)準(zhǔn)SAE ARP 5416[17]建立試驗(yàn)裝置,如圖1(b)所示。

(a)Test pieces (b)Test equipment圖1 試件與試驗(yàn)裝置Fig.1 Test pieces and test equipment

試件嵌入4根金屬壓條中,以等效四周接地的等電位邊界。整個夾具固定在玻璃纖維/環(huán)氧樹脂試驗(yàn)架上,放電銅棒懸掛于試樣正上方,下端被絕緣小球包裹,并將直徑為0.1 mm的銅線粘貼在銅棒表面,以誘導(dǎo)初始電弧附著在試件頂面中心。

根據(jù)銀隆方面的描述，第二起訴訟為魏銀倉重復(fù)向公司出售專利：2010年和2012年，魏銀倉將5項(xiàng)專利作價1.0012億元轉(zhuǎn)讓給銀隆。2015年，魏在公司董事會未同意的情況下，將這5項(xiàng)專利中的3項(xiàng)重新估價9500萬元，再度轉(zhuǎn)讓給銀隆，從中侵占銀隆9500萬元。

試驗(yàn)后,清理和修剪復(fù)合材料試件,利用美國物理聲學(xué)公司的多軸自動超聲波水浸掃描系統(tǒng)表征其內(nèi)部損傷。

對移動學(xué)習(xí)(M-Learning)的研究始于1994年卡內(nèi)基梅隆的研究項(xiàng)目，該項(xiàng)目開創(chuàng)了移動教育的先河。隨后E-Learning提供商借鑒E-Learning的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，將移動學(xué)習(xí)引入高校和企業(yè)培訓(xùn)。由教育機(jī)構(gòu)發(fā)起的針對中小學(xué)的教育信息化改革，則試圖通過新技術(shù)改善教學(xué)、學(xué)習(xí)和管理。

1.2 加載條件

飛機(jī)雷電環(huán)境及相關(guān)試驗(yàn)波形標(biāo)準(zhǔn)SAE ARP 5412[18]中規(guī)定了幾種代表理想環(huán)境的用于測試?yán)纂娭苯有?yīng)的電流波形,分別為A、B、C、D(初始分量、中間分量、持續(xù)分量和回?fù)舴至?四個分量,它們共同組成了自然雷電的典型特征。其中初始分量A是最具威脅的高峰值脈沖電流,電流峰值可達(dá)200 kA,對復(fù)合材料造成的雷擊損傷極具代表性,波形可以是雙指數(shù)波形或震蕩波形。本試驗(yàn)中設(shè)備輸出的為震蕩波形,如圖2所示。施加于試件的電流波形參數(shù)如表1。

圖2 電流波形Fig.2 Current waveform

表1 試件雷電電流參數(shù)Table 1 Specimen lightning current parameters

1.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了使仿真計(jì)算輸入的電流波形與試驗(yàn)波形保持一致,提取試驗(yàn)波形曲線上的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合,如圖5(b),圖中黑色圓點(diǎn)為試驗(yàn)波形數(shù)據(jù),紅色實(shí)線為擬合曲線,擬合方程見式(3)。

如圖5(a)所示,在有限元軟件COMSOL中建立了雷擊復(fù)合材料板的電-熱耦合三維模型。模型幾何尺寸為500 mm×500 mm,自上而下共6層,鋪層方向?yàn)閇0°/90°]交叉鋪層,由75 456個離散單元組成,節(jié)點(diǎn)數(shù)為40 888。設(shè)置四周接地的電場邊界條件,因雷電流在極短時間內(nèi)向復(fù)合材料注入大量能量,造成溫度瞬間上升至幾千攝氏度,因此材料外表面與外部環(huán)境熱交換以熱輻射為主,輻射率設(shè)置為0.9。

(a1)A45k (a2)A90k (a3)A180k

(b1)A45k (b2)A90k (b3)A180k圖3 雷擊后樣品的俯視圖((a1～a3)全尺寸;(b1～b3)放大受損區(qū)域)Fig.3 Top view of sample after lightning strike((a1～a3)full size;(b1～b3)zoom damaged area)

進(jìn)一步地，為刻畫CPIKN整體的信息或知識傳遞效能，在加權(quán)節(jié)點(diǎn)介數(shù)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，提出平均加權(quán)節(jié)點(diǎn)介數(shù)的概念，并將其作為度量CPIKN整體效能穩(wěn)定性的指標(biāo)。平均加權(quán)節(jié)點(diǎn)介數(shù)

利用超聲掃描系統(tǒng)進(jìn)一步確認(rèn)雷擊損傷后的CFRP試件內(nèi)部損傷,超聲C掃描表征的是試樣內(nèi)部損傷形態(tài),如圖4所示。可以觀察到,不同峰值電流的A分量作用后CFRP試件具有相似的內(nèi)部損傷形貌,近似呈菱形,且菱形長軸與復(fù)合材料表層纖維方向平行。對比圖3,與表觀損傷變化規(guī)律類似,內(nèi)部損傷范圍也隨電流峰值的增大而增大,且損傷主要沿0°和90°方向擴(kuò)展。這是因?yàn)樵嚰亴臃较驗(yàn)閇0°/90°]交叉鋪層,而電流在復(fù)合材料內(nèi)部傳導(dǎo)時主要沿纖維方向,進(jìn)一步證明了CFRP雷擊損傷是雷電流的熱電特性和復(fù)合材料的熱電屬性共同作用結(jié)果。

建筑空間是一個整體的系統(tǒng)，建筑空間形式可以直接反映氣候適應(yīng)性策略。由于不同的空間環(huán)境和不同的建筑群體，建筑在物理方面將反映不同的氣候適應(yīng)性和空間價值，這在建筑空間設(shè)計(jì)中具有特別重要的研究意義。譬如，對于炎熱潮濕地區(qū)的建筑設(shè)計(jì)，最重要的是強(qiáng)調(diào)空氣對流能夠使熱濕空氣相互流動，使人們感到舒適。除了要注意局部通風(fēng)，還應(yīng)注意空間的熱防護(hù)問題，通過對空間內(nèi)部環(huán)境的合理運(yùn)用可以有效地將外界環(huán)境中的氣流導(dǎo)入室內(nèi)，從而有效解決通風(fēng)防熱問題。

(a)45 kA

(b)90 kA

(c)180 kA圖4 雷電流A分量下CFRP試件超聲C掃描圖像Fig.4 Ultrasound C-scan image of CFRP specimenunder lightning curreat A component

2 CFRP在雷電流下的有限元仿真

2.1 電-熱平衡控制方程

復(fù)合材料雷擊下的電-熱耦合分析主要考慮雷電流的焦耳熱效應(yīng)造成的熱損傷,以溫度場界限定義損傷范圍。電荷在CFRP內(nèi)部傳導(dǎo)時,由于材料的高阻抗性會產(chǎn)生大量電阻熱,造成基體燒蝕、熔融和纖維燃燒、斷裂,雷電流中的電能以熱能形式耗散。雷擊過程中CFRP結(jié)構(gòu)內(nèi)的電場由Maxwell方程控制,即:

2.2.2 材料參數(shù)

按信號概率計(jì)算方法的不同，當(dāng)前基于信號概率的RM電路功耗計(jì)算方法主要有2類：第一類方法使用簡單信號概率計(jì)算法計(jì)算所有的信號概率，如文獻(xiàn)[6,7]；第二類方法采用在BDD中傳播信號概率的BDD法計(jì)算信號概率，如文獻(xiàn)[4]在解決信號的時間相關(guān)性問題時就采用了類似方法.為與這2類方法進(jìn)行比較，分別設(shè)計(jì)如算法3所示以及如算法4所示的MPRM電路功耗計(jì)算算法.

(1)

式中V為單元體積;J為單元電流密度;S為單元截面積;rc為單元電荷體密度;n為面S的外法向。

對于復(fù)合材料內(nèi)部熱傳導(dǎo)過程,雷電流產(chǎn)生的熱擾動源屬于微秒級,遠(yuǎn)大于CFRP的松弛時間,因此采用經(jīng)典的穩(wěn)態(tài)Fourier熱傳導(dǎo)方程描述本模型的熱傳導(dǎo)過程:

(2)

圖7為峰值電流為180 kA的雷電流A分量作用于復(fù)合材料峰值時刻和結(jié)束時刻的各層電壓云圖。由圖7可以看出,峰值時刻(27 μs)的電壓最大值為3770 V,而雷電流A分量結(jié)束時刻(450 μs)的最大電壓降為1030 V。各鋪層電場分布與纖維方向相關(guān),沿各層纖維方向關(guān)于雷電流注入點(diǎn)呈對稱分布,這是因?yàn)槔w維方向電導(dǎo)率遠(yuǎn)大于另兩個方向,雷電流注入復(fù)合材料時首先沿纖維方向傳導(dǎo)。除首層外各層電場不僅與該層纖維分布具有相關(guān)性,還受相鄰鋪層纖維方向的影響。

2.2 有限元模型

2.2.1 定義仿真參數(shù)

對路基區(qū)、取土場區(qū)、臨時堆土場區(qū)及棄渣場區(qū)的監(jiān)測，主要在每年汛前、汛后各一次，日降水量大于25 mm以上時增測1次，6—9月汛期各月監(jiān)測一次。對于橋隧、附屬設(shè)施及施工場地施工便道的監(jiān)測需每月一次，降水量大于25 mm以上時增測1次。

2.3.7 病蟲害防治：抓好病蟲害防治是培育優(yōu)質(zhì)苗木的關(guān)健措施，重點(diǎn)在防，及時在治，從苗圃地整地開始，使用辛硫磷之內(nèi)農(nóng)藥撒入土壤中，對蟬類害蟲若蟲孵化初期噴灑48%樂斯本乳油3000倍液防治，甲類害蟲初孵幼蟲期噴灑1.8%愛福丁乳油2000倍液防治，蚧類害蟲初孵若蟲盛期噴灑95%蚧螨靈乳劑400倍液，對菌類防治要結(jié)合剪枝，在扦插苗栽植后用70%甲基托布津700倍液噴灑一遍，防治扦插苗剪口菌類感染；當(dāng)新梢長到10cm左右時保留主干去除其它新梢后用退菌特600倍液噴灑一遍。

(a)Geometric model

(b)Waveform curve of the lightning current A component obtained by fitting圖5 有限元模型Fig.5 Finite model

雷擊后纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的表面形貌如圖3所示,其中(b1,b2,b3)為(a1,a2,a3)的放大受損區(qū)域。3個試樣呈現(xiàn)相似的表面形貌特征,損傷程度隨峰值電流的增大而增大。在受損區(qū)域,碳纖維沿表面0°度方向成束向上翹曲、斷裂,樹脂發(fā)生燒蝕、碳化,燒蝕程度沿垂直纖維方向(90°)逐漸降低,整個受損區(qū)域呈橢圓形,橢圓長軸與表面纖維方向平行。

(3)

Ⅰ號礦體呈層狀，NW—SE向展布，長軸長800m，短軸方向?qū)?00m左右，礦體傾向NNE，傾角5°～15°，平均10°左右，稀土氧化物總量平均品位1.01%。平均厚度為0.84m，沿走向自NW向SE由0.65m變?yōu)?.15m，沿傾向變化不大,總體NW薄SE厚。

碳纖維是電的良導(dǎo)體,而環(huán)氧樹脂作為一種典型的絕緣性材料,復(fù)合材料的電熱屬性由兩者共同決定。根據(jù)熱重分析實(shí)驗(yàn),復(fù)合材料中樹脂的熱解行為大約開始于300 ℃,當(dāng)溫度達(dá)到600 ℃時,樹脂完全融化,直至溫度升高至3316 ℃,碳纖維升華。在這一過程中,復(fù)合材料各向異性的電、熱物理性能參數(shù)隨溫度發(fā)生變化[15,19]。當(dāng)溫度高于3316 ℃時,由于碳纖維和樹脂熱解產(chǎn)生的焦炭均已發(fā)生升華,電流作用區(qū)域的第一層復(fù)合材料單元已完全喪失承載能力,電流載荷直接附著在下一層。為了實(shí)現(xiàn)這一過程,定義溫度高于3316 ℃的復(fù)合材料單元厚度方向電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率無窮大,同時,面內(nèi)垂直、平行纖維方向的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率無窮小,以模擬電流不再在該單元面內(nèi)方向進(jìn)行傳導(dǎo)的狀態(tài)。此外,賦予溫度高于3316 ℃的復(fù)合材料單元較大的比熱容值,以保證該單元不再繼續(xù)升溫。復(fù)合材料相關(guān)電、熱物理性能如表2所示。

表2 復(fù)合材料熱電物理屬性數(shù)據(jù)[19]Table 2 Thermo-electric physical property of composite

2.3 結(jié)果分析與討論

2.3.1 仿真結(jié)果驗(yàn)證

為驗(yàn)證仿真模型的可靠性,將峰值電流為180 kA的雷電流A分量作用下CFRP各層模擬結(jié)果的輪廓線(T=300 ℃)和圖4中超聲掃描檢測到的面內(nèi)損傷邊界在圖6中重疊?？梢钥闯?仿真分析得到的面內(nèi)熱損傷邊界與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好,略小于實(shí)驗(yàn)得到的鋪層損傷面積。原因歸結(jié)于,造成面內(nèi)損傷的因素除了熱效應(yīng)機(jī)制外,由復(fù)合材料各向異性熱導(dǎo)率產(chǎn)生的不均勻熱應(yīng)力、雷電流自身的聲波沖擊、電磁力等機(jī)械因素均會引起纖維斷裂、裂紋的萌生和擴(kuò)展、材料分層,而碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料較弱的層間結(jié)合強(qiáng)度也有助于裂紋在面內(nèi)方向擴(kuò)展,增大損傷面積。

(a)Test result (b)Comparison between simulation and test圖6 峰值為180 kA的雷電流A分量作用下模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比Fig.6 Comparison of simulation and experimental results under the action of lightning current A component with a peak value of 180 kA

2.3.2 CFRP電場分析

式中ρ為材料密度;Q為材料內(nèi)能;ω為溫度的變分?jǐn)M合函數(shù);k為熱傳導(dǎo)系數(shù);q為單元面積的流入熱流;δ為單元體積內(nèi)產(chǎn)生的熱量。

(a)27 μs

(b)450 μs圖7 雷電流A分量作用峰值及結(jié)束時刻CFRP各層的電勢云圖Fig.7 Electric potential contours of each layer of CFRP at the peak and end time of lightning curreut A component

為了更全面分析雷電流對CFRP的影響,選取A分量作用結(jié)束時刻中心節(jié)點(diǎn)沿厚度方向的電勢進(jìn)行分析,如圖8所示?？梢钥闯鲋罙分量作用結(jié)束時刻,電流集中分布于復(fù)合材料前三層,在第四層內(nèi)電勢急劇下降,最后兩層電勢幾乎為零,無電流分布。這說明在雷電流A分量作用期間,電流僅在靠近雷擊一側(cè)的部分鋪層內(nèi)傳導(dǎo),這些鋪層的材料已經(jīng)產(chǎn)生雷擊損傷,電導(dǎo)率不再發(fā)生明顯變化,厚度方向電勢差也較小。

雷電流附著于CFRP結(jié)構(gòu)表面時,放電通道中的帶電粒子與材料表面的感應(yīng)電荷迅速中和,釋放的焦耳熱量致使材料表面溫度急劇升高,造成基體材料熱解、熔融和纖維燃燒、斷裂起毛,該區(qū)域?yàn)槌跏几街鴧^(qū),損傷最為嚴(yán)重,如圖3(b1,b2,b3)中線型為“—”的區(qū)域;由于復(fù)合材料沿纖維方向的電導(dǎo)率遠(yuǎn)大于面內(nèi)橫向和厚度方向電導(dǎo)率,因此電流更傾向沿阻抗較低的纖維方向傳導(dǎo),形成雷電傳導(dǎo)區(qū)(線型為“---”),損傷程度減弱,表現(xiàn)為纖維-基體分離、表層剝落;若雷電流強(qiáng)度較大,隨著雷電通道中的能量持續(xù)注入CFRP結(jié)構(gòu),部分電流也會沿表面橫向擴(kuò)展,產(chǎn)生焦耳熱,造成樹脂燒蝕、碳化、纖維裸露,形成電流擴(kuò)展區(qū),如圖3(b2)、(b3)中的“—·—”區(qū)域,該區(qū)損傷較為嚴(yán)重;線型為“—··—”的區(qū)域?yàn)槎蝹鲗?dǎo)區(qū),表層材料中的樹脂熱解生成的焦炭以及碳纖維升華后,雷電流以同樣的方式在下一層進(jìn)行傳導(dǎo),因此便形成了沿下層纖維方向(90°)的損傷區(qū)域,此區(qū)域內(nèi)部產(chǎn)生的熱解氣體膨脹、熱應(yīng)力導(dǎo)致復(fù)合材料板出現(xiàn)分層、鼓包現(xiàn)象。

圖8 結(jié)束時刻CFRP中心節(jié)點(diǎn)沿厚度方向電勢變化曲線Fig.8 Potential change curve of CFRP central node along the thickness direction at the end time

2.3.3 CFRP溫度場分析

圖9為雷電流A分量作用下復(fù)合材料各層中心節(jié)點(diǎn)溫度隨時間的變化曲線。

(a)Layer 1,2 (b)Layer 3,4,5圖9 CFRP復(fù)合材料各層中心節(jié)點(diǎn)溫度隨時間變化曲線Fig.9 Variation curve of temperature at the center node of each layer of CFRP composite with time

由圖9(a)可以發(fā)現(xiàn),CFRP首層升溫速率極快,在峰值時刻(27 μs)即達(dá)到3316 ℃;第二層溫度呈現(xiàn)先迅速升高然后緩慢增加的趨勢,拐點(diǎn)出現(xiàn)在峰值時刻附近,在250 μs時達(dá)到3316 ℃。圖9(b)中第三層的溫度增速低于前兩層,溫升開始于峰值時刻,直至A分量作用結(jié)束,第三層材料也未達(dá)到纖維、殘?zhí)嫉纳A溫度;第四層材料在電流作用末期才開始升溫,結(jié)束時刻溫度僅上升至數(shù)百攝氏度,此外,三、四兩層中心節(jié)點(diǎn)均是在其上層溫度達(dá)到約2000 ℃時開始升溫;而第五層中心節(jié)點(diǎn)溫度在A分量作用期間一直保持25 ℃,說明該層材料未出現(xiàn)損傷。

中國進(jìn)入重化工業(yè)發(fā)展階段后，地方政府出于GDP競賽的考慮，以各種優(yōu)惠政策吸引了大量資本尤其是民間資本進(jìn)入重化工產(chǎn)業(yè)。在這些“重資產(chǎn)”行業(yè)，投資的不可逆程度較高，因此，中國經(jīng)濟(jì)政策的不確定性水平上升，很可能會通過實(shí)物期權(quán)效應(yīng)對固定資產(chǎn)投資特別是民間投資產(chǎn)生顯著的負(fù)面影響。同時，在行業(yè)層面，與“輕資產(chǎn)”行業(yè)相比，非金屬礦物制品業(yè)等“重資產(chǎn)”行業(yè)的投資增長受經(jīng)濟(jì)政策不確定性的影響更大。

為了更清晰地觀察復(fù)合材料內(nèi)部的損傷情況,選取CFRP中心節(jié)點(diǎn)沿厚度方向的溫度變化趨勢繪制于圖10。圖10顯示深度方向上溫度高于300 ℃和3316 ℃的距離分別約為2 mm和1 mm,這說明峰值電流為180 kA的雷電流A分量作用下CFRP復(fù)合材料由溫度造成的損傷延伸至前三個鋪層,其中前兩個鋪層溫度已達(dá)到3316 ℃,發(fā)生樹脂熱解、熔融以及纖維、殘?zhí)嫉纳A,由此材料內(nèi)部產(chǎn)生的高溫高壓氣體在密閉空間內(nèi)將引發(fā)爆炸現(xiàn)象,產(chǎn)生的汽化反沖效應(yīng)導(dǎo)致纖維斷裂、分層,加劇面內(nèi)損傷。因此,圖3(b3)中雷擊附著點(diǎn)處的纖維斷裂、翹曲不僅受雷電流自身的電磁力、聲壓沖擊等機(jī)械因素影響,還與內(nèi)部熱解氣體的爆炸反沖有關(guān)。

圖10 結(jié)束時刻CFRP中心節(jié)點(diǎn)沿厚度方向溫度變化曲線Fig.10 Temperature change curve of CFRP central node along the thickness direction at the end time

圖11為峰值電流為180 kA的雷電流A分量作用下復(fù)合材料內(nèi)部電勢和溫度分布圖,定義溫度高于300℃為損傷范圍。可以發(fā)現(xiàn),復(fù)合材料內(nèi)部溫度分布與電勢分布相似,表層溫度呈現(xiàn)沿0°方向關(guān)于雷擊附著點(diǎn)對稱的形狀,與該層纖維方向一致。而在第二鋪層(纖維方向?yàn)?0°)截面處,沿0°方向的損傷范圍明顯小于第一鋪層和第三鋪層。

(a)Electric potential contour

(b)Temperature contour圖11 雷電流A分量作用結(jié)束時刻CFRP內(nèi)部的電勢和溫度分布Fig.11 Potential and temperature distribution inside CFRP at the end of lightning current A component

此外,CFRP內(nèi)部損傷溫度場不僅分布形態(tài)類似于電場,深度方向上的熱損傷范圍也與電勢大小相關(guān),如圖8和圖10所示。本模型中的電-熱耦合是模擬雷電流的焦耳熱效應(yīng)對CFRP造成的損傷,電流在復(fù)合材料內(nèi)部傳導(dǎo),由于復(fù)合材料的高阻抗而產(chǎn)生大量焦耳熱使材料升溫,是雷電流中電能的直接耗散途徑,具有瞬時性,因此復(fù)合材料內(nèi)部熱損傷的分布形態(tài)與范圍均與其內(nèi)部電勢分布與大小相關(guān)。

2.3.4 峰值電流對雷擊損傷的影響

峰值電流作為電流波形最具代表性的特征參數(shù),是衡量復(fù)合材料雷擊損傷的關(guān)鍵因子。利用已建立的CFRP復(fù)合材料雷擊損傷電-熱耦合仿真模型,計(jì)算峰值電流分別為45、90、180 kA的雷電A分量下復(fù)合材料板的熱損傷。根據(jù)仿真結(jié)果,獲取CFRP復(fù)合材料在不同峰值電流A分量下的損傷程度。

從模型來看，地方感的3個維度之間呈顯著正相關(guān)，具有較強(qiáng)的相互影響，且對根植意愿的作用存在差異。地方依戀對根植意愿的直接貢獻(xiàn)為正，而地方滿意度和地方認(rèn)同對根植意愿的直接影響為負(fù)。

統(tǒng)計(jì)三種等級峰值電流A分量作用后的損傷結(jié)果,如圖12(a)、(b)分別為疊加的各鋪層內(nèi)溫度損傷面積和最大損傷深度。可以發(fā)現(xiàn),對于具有相同波形參數(shù)的雷電流A分量,其對復(fù)合材料造成的鋪層內(nèi)熱損傷面積和深度方向損傷均隨電流峰值的增大而增大。峰值電流為180 kA作用下的CFRP面內(nèi)損傷達(dá)到了70 650 mm2,相較于前兩者分別增大了251%和215%;而深度方向的損傷變化趨勢遠(yuǎn)小于面內(nèi)損傷,180 kA的雷電流造成的深度損傷相較于前兩者僅增大了32%、28%。復(fù)合材料面內(nèi)纖維方向電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率遠(yuǎn)大于厚度方向,雷電流附著于復(fù)合材料更易在面內(nèi)進(jìn)行傳導(dǎo),高熱導(dǎo)率將傳遞更多的熱量,因此高峰值A(chǔ)分量電流下的焦耳熱效應(yīng)更傾向于誘發(fā)面內(nèi)損傷。

(a)Lighting strike damage area

(b)Lighting strike damage depth圖12 不同峰值下CFRP損傷結(jié)果對比Fig.12 Comparison of CFRP damage results at different current peaks

3 結(jié)論

(1)不同峰值電流下的CFRP呈現(xiàn)出樹脂燒蝕、碳化、纖維沿表面鋪層方向成束翹曲、斷裂等相近的雷擊損傷形貌特征,而損傷程度和內(nèi)部損傷面積隨峰值電流的增大而增大。

(2)復(fù)合材料內(nèi)部電勢和電流的分配規(guī)律由各向異性的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率決定,焦耳熱的瞬時性以及雷電流A分量極短的作用時間共同促使復(fù)合材料內(nèi)部溫度場分布形態(tài)趨向于電勢分布形態(tài)。

(3)復(fù)合材料鋪層內(nèi)損傷投影面積和深度方向損傷與雷電A分量峰值電流均呈正相關(guān),但面內(nèi)纖維方向電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率遠(yuǎn)大于厚度方向,使得雷電A分量更傾向于誘發(fā)面內(nèi)損傷。