發(fā)布時(shí)間：2020-05-28 03:55

【摘要】：碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)具有輕質(zhì)高強(qiáng)、抗疲勞、耐腐蝕、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域。由于航空航天飛行器在減重、一體化設(shè)計(jì)、多功能等方面具有特別需求,CFRP復(fù)合材料在飛行器上的應(yīng)用范圍和用量近年來(lái)都大幅提升。然而,與鋁、鈦合金等金屬材料相比,CFRP復(fù)合材料的導(dǎo)電性能相對(duì)較弱且具有顯著的各向異性,這導(dǎo)致雷電流在流經(jīng)復(fù)合材料時(shí)會(huì)在局部瞬間產(chǎn)生大量的焦耳熱,正因如此,CFRP復(fù)合材料對(duì)雷電環(huán)境更加敏感。另一方面,與金屬或其它非金屬?gòu)?fù)合材料相同的是,雷電產(chǎn)生的超音速、超高溫等離子體放電通道對(duì)CFRP復(fù)合材料會(huì)有顯著的燒蝕和沖擊作用。總體來(lái)看,CFRP復(fù)合材料在雷擊過(guò)程中會(huì)受到電-熱-力耦合的直接效應(yīng)作用,從而引發(fā)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)發(fā)生電-熱-化學(xué)-力耦合響應(yīng),這對(duì)理論研究和數(shù)值模擬提出了很高的要求。雖然現(xiàn)階段對(duì)于CFRP復(fù)合材料雷擊損傷問(wèn)題已經(jīng)有大量的報(bào)導(dǎo),但是,絕大多數(shù)工作是基于電-熱耦合分析的焦耳熱效應(yīng)的計(jì)算,對(duì)于雷電對(duì)CFRP復(fù)合材料的復(fù)雜的作用機(jī)理、復(fù)合材料損傷模式及其含損傷的性能演化關(guān)系等更進(jìn)一步的研究相對(duì)較少;加之CFRP復(fù)合材料雷擊損傷的模擬計(jì)算是典型的多場(chǎng)耦合問(wèn)題,需要考慮的因素諸多,僅通過(guò)電-熱耦合分析很難獲得精確的結(jié)果。本文采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法圍繞CFRP復(fù)合材料雷擊損傷機(jī)理開(kāi)展研究。在實(shí)驗(yàn)研究方面:(1)針對(duì)復(fù)合材料TR50S-15L/YPH308,開(kāi)展了與雷擊損傷直接相關(guān)的電、熱和力學(xué)關(guān)鍵性能參數(shù)的測(cè)試研究,得到了該材料體系下熱解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)和層合板各向異性的電導(dǎo)率、模量、強(qiáng)度和斷裂韌性等性能參數(shù),為雷擊損傷的電-熱-化學(xué)-力耦合分析模型提供輸入?yún)?shù)的同時(shí),較為全面地理解CFRP復(fù)合材料的電、熱和力學(xué)特性。(2)針對(duì)TR50S-15L/YPH308復(fù)合材料層合板,開(kāi)展了非標(biāo)準(zhǔn)雷電波形(35/100 μs)較低峰值電流(10～50 kA)試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)雷電波形較高峰值電流(80～100 kA)試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)雷電組合波形試驗(yàn),采用多種表征手段(表觀、SEM、超聲C/B掃描等)揭示了 CFRP復(fù)合材料在雷擊作用下形成的特征損傷形貌及其成因,研究發(fā)現(xiàn):CFRP復(fù)合材料在雷電環(huán)境中受到瞬態(tài)電-熱-力耦合作用時(shí)有其獨(dú)有的損傷特征,雷擊損傷中樹(shù)脂燒蝕和碳纖維斷裂翹曲所形成的氣體逸出通道以及碳纖維斷口粗化是CFRP復(fù)合材料在常規(guī)單因素作用下所無(wú)法形成的。(3)對(duì)比研究了在標(biāo)準(zhǔn)雷電組合波形D+C和標(biāo)準(zhǔn)雷電波形D作用下CFRP復(fù)合材料的損傷特征,并結(jié)合雷電放電通道和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的相互作用機(jī)理進(jìn)行了損傷分析,結(jié)果表明:雷電脈沖波形成的面內(nèi)損傷形貌呈菱形,這是雷電流傳導(dǎo)過(guò)程中各向異性電導(dǎo)率所決定的;而之后連續(xù)作用的雷電持續(xù)波形成了圓錐形的燒蝕坑,這是雷電通道注入的電弧熱所決定的,與復(fù)合材料各向異性無(wú)關(guān)。此外,對(duì)比研究還發(fā)現(xiàn):在電流波形D之后連續(xù)施加的電流波形C并沒(méi)有增加D作用形成的面內(nèi)損傷面積,而是加劇了面內(nèi)損傷區(qū)域的損傷程度,與此同時(shí)顯著地增加了損傷深度。在數(shù)值模擬方面,本文借助ABAQUS有限元商業(yè)軟件及其子程序基于人工模擬雷擊試驗(yàn)逐步建立了 CFRP雷擊損傷電-熱-化學(xué)-力耦合分析模型。具體的建立過(guò)程和研究結(jié)論如下:(1)基于電-熱耦合的基本理論和熱解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)理論,在ABAQUS軟件的電-熱耦合分析模塊中通過(guò)用戶自定義子程序USDFLD和HETVAL引入復(fù)合材料熱解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型,實(shí)現(xiàn)了熱電物理性能隨熱解度退化進(jìn)而再影響電場(chǎng)和溫度場(chǎng),建立了 CFRP復(fù)合材料雷擊損傷的電-熱-化學(xué)耦合分析模型,得到了CFRP復(fù)合材料在雷擊損傷過(guò)程中電場(chǎng)、溫度場(chǎng)和熱解度場(chǎng)的時(shí)間、空間演變特點(diǎn)和規(guī)律。電-熱-化學(xué)耦合分析模型的運(yùn)用避免了采用溫度作為復(fù)合材料性能退化判據(jù)帶來(lái)的數(shù)值模擬中材料退化過(guò)早的問(wèn)題。根據(jù)雷電弧根半徑擴(kuò)張的規(guī)律定義了隨雷電流波形在時(shí)空間變化的電流和熱流密度方程,在電-熱-化學(xué)耦合分析模型中實(shí)現(xiàn)了電弧熱和焦耳熱效應(yīng)在雷擊損傷過(guò)程中的協(xié)同作用。此外,本文提出了解決電熱載荷下移、高溫氣體消散降溫等問(wèn)題的相關(guān)假設(shè)與等效處理方法。(2)基于上述建立的電-熱-化學(xué)耦合分析模型,模擬計(jì)算了 CFRP復(fù)合材料層合板在標(biāo)準(zhǔn)雷電組合波形D+C作用下的熱解損傷,并與人工模擬雷擊試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn):雷擊損傷的電-熱-化學(xué)耦合分析模型可以很好地預(yù)測(cè)CFRP復(fù)合材料層合板厚度方向的雷擊損傷;但對(duì)于面內(nèi)損傷,該模型得到的預(yù)測(cè)值比真實(shí)值偏小。這也說(shuō)明:熱解損傷僅是面內(nèi)方向的雷擊損傷的來(lái)源之一,卻貢獻(xiàn)了絕大部分厚度方向的雷擊損傷。更進(jìn)一步地,通過(guò)對(duì)模型中特定節(jié)點(diǎn)在特定時(shí)刻下電勢(shì)和熱解度對(duì)比,解釋了電勢(shì)變化和電流分配的規(guī)律,同時(shí)揭示了CFRP復(fù)合材料伴隨熱解損傷過(guò)程的電學(xué)導(dǎo)通機(jī)理;另一方面,通過(guò)與僅考慮焦耳熱效應(yīng)的模擬計(jì)算結(jié)果比較,區(qū)分了焦耳熱和電弧熱在兩種雷電波形D和C作用過(guò)程中的不同影響:具有瞬態(tài)響應(yīng)特性的焦耳熱效應(yīng)在雷電波形D階段起主導(dǎo)作用,而電弧熱效應(yīng)由于需要相對(duì)充足的導(dǎo)熱時(shí)間在雷電波形C階段起主導(dǎo)作用。(3)基于CFRP復(fù)合材料雷擊損傷的電-熱-化學(xué)耦合分析模型,一方面研究了雷電流波形特征參數(shù)對(duì)CFRP復(fù)合材料雷擊熱解損傷的影響,結(jié)果表明:不同波形參數(shù)下的雷擊熱解損傷程度隨作用積分的變化曲線基本重合,波形參數(shù)對(duì)雷擊熱解損傷的影響主要通過(guò)作用積分來(lái)體現(xiàn);雷擊熱解損傷程度與作用積分具有較強(qiáng)的指數(shù)關(guān)系。另一方面研究了復(fù)合材料電傳導(dǎo)性能對(duì)雷擊熱解損傷的影響,結(jié)果表明:CFRP復(fù)合材料的雷擊熱解損傷隨縱向電導(dǎo)率的增大有明顯減小的趨勢(shì);橫向電導(dǎo)率對(duì)熱解損傷程度基本沒(méi)有影響;而厚度方向電導(dǎo)率改變對(duì)雷擊熱解損傷深度的影響存在閾值,只有當(dāng)厚度方向電導(dǎo)率大于該閾值時(shí),增大厚度方向電導(dǎo)率才具有減小雷擊損傷深度的防護(hù)效果。(4)分別針對(duì)CFRP復(fù)合材料層合板的鋪層內(nèi)和層間構(gòu)建了特別適用于電-熱-化學(xué)-力耦合分析的雷擊損傷本構(gòu)模型:對(duì)于鋪層內(nèi),基于連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué),通過(guò)用戶自定義子程序VUMAT將熱解損傷對(duì)力學(xué)性能的影響視為材料單元有效承載面積的減小,引入了同時(shí)考慮熱解損傷與力學(xué)損傷的雷擊損傷變量,采用Hashin應(yīng)變失效準(zhǔn)則,建立了鋪層內(nèi)的考慮熱解損傷的雷擊漸進(jìn)損傷本構(gòu)模型;對(duì)于鋪層間,為了避免單元型內(nèi)聚力模型影響電-熱-化學(xué)耦合分析步計(jì)算的問(wèn)題,基于接觸型內(nèi)聚力行為理論,建立了考慮熱解損傷的層間力學(xué)損傷本構(gòu)模型。通過(guò)將基于電-熱-化學(xué)耦合分析模型計(jì)算得到的隨時(shí)空間不斷變化的溫度和熱解度場(chǎng)以預(yù)定義場(chǎng)的形式導(dǎo)入ABAQUS顯示動(dòng)力學(xué)分析模塊中的方法,實(shí)現(xiàn)了電-熱-化學(xué)分析和熱-化學(xué)-力分析的順序耦合和數(shù)據(jù)傳遞,建立了CFRP復(fù)合材料雷擊損傷的電-熱-化學(xué)-力耦合分析模型,實(shí)現(xiàn)了雷擊熱解損傷和力學(xué)損傷的協(xié)同計(jì)算。(5)基于電-熱-化學(xué)-力耦合分析模型,計(jì)算分析了 CFRP復(fù)合材料層合板在雷電分量D作用下考慮熱應(yīng)力和雷電沖擊壓力雙重載荷時(shí)的力學(xué)響應(yīng)與力學(xué)損傷,結(jié)果表明:層合板的主體變形呈現(xiàn)“馬鞍”狀,并在雷電流作用結(jié)束后仍做減幅振動(dòng);迎雷擊一側(cè)的面內(nèi)中心區(qū)域局部有數(shù)層鼓包,出現(xiàn)了明顯的分層損傷,且各鋪層間的分層損傷并不能完全被同時(shí)刻的熱解損傷所覆蓋。進(jìn)一步通過(guò)分別與僅考慮熱應(yīng)力和僅考慮雷電沖擊壓力的模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn):熱應(yīng)力是導(dǎo)致層合板迎雷擊一側(cè)的面內(nèi)中心區(qū)域復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)以及層合板整體向上凸起和表層局部鼓包的主要因素,主導(dǎo)了分層損傷,增加了雷擊過(guò)程中摩擦消耗的能量,進(jìn)而加速了雷擊過(guò)程中層合板機(jī)械能的消耗;而雷電沖擊壓力是層合板邊緣應(yīng)力狀態(tài)以及產(chǎn)生向下彎曲變形的主要因素,是雷擊過(guò)程中層合板機(jī)械能的主要來(lái)源,決定了層合板減幅振動(dòng)過(guò)程的振幅和振型。此外,在構(gòu)建雷擊損傷本構(gòu)模型的同時(shí),應(yīng)用有限元方法進(jìn)一步分析了雷擊損傷的熱解影響系數(shù)對(duì)層合板在雷擊過(guò)程中力學(xué)響應(yīng)和損傷的影響。結(jié)果表明:熱解影響系數(shù)對(duì)層合板力學(xué)響應(yīng)和力學(xué)損傷均具有很大影響,隨著熱解影響系數(shù)的增大,不同形式的力學(xué)損傷都會(huì)呈不同程度的減小。在進(jìn)行雷擊力學(xué)分析中,確定熱解損傷和力學(xué)損傷對(duì)材料性能退化影響的權(quán)重是十分重要的。本文全面考慮雷電放電通道電流、熱流和沖擊作用,建立CFRP復(fù)合材料雷擊損傷的電-熱-化學(xué)-力耦合分析模型,同時(shí)對(duì)涉及到的電、熱、化學(xué)和力學(xué)過(guò)程進(jìn)行了系統(tǒng)性的分析,極大地深化了 CFRP復(fù)合材料雷擊損傷機(jī)理的研究,對(duì)能夠較為準(zhǔn)確地評(píng)估雷擊損傷、降低雷擊試驗(yàn)成本和優(yōu)化設(shè)計(jì)雷擊防護(hù)技術(shù)具有重要意義。
【圖文】：

式中：／0＝１０９４０５Ａ，邋ａ＝２２７０８邋ｓＨ，ｙｆｆ＝１２９４５３０ｓ－１；邋ｆ邋為時(shí)間，單位為邋ｓ。逡逑針對(duì)脈沖雷電流波形，國(guó)際電工委員會(huì)ＩＥＣ在標(biāo)準(zhǔn)ＩＥＣ６００６０－１Ｗ中定義了逡逑波前（ｒ0和波尾時(shí)間（乃），如圖１－２所示。由于實(shí)際測(cè)量記錄得到的波形原點(diǎn)比逡逑較模糊，而峰值處幅值變化又較為平緩，所以波形的原點(diǎn)和峰值點(diǎn)較難辨識(shí)，逡逑為此選取幅值的１０％和９０％處的連線與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)作為波形的原點(diǎn)，連線反逡逑向延長(zhǎng)線與幅值的交點(diǎn)作為波峰點(diǎn)，這樣，波前時(shí)間乃定義為從原點(diǎn)到波峰點(diǎn)逡逑的時(shí)間，而波尾時(shí)間ｒ２定義為從原點(diǎn)經(jīng)過(guò)波峰點(diǎn)到５０％幅值處的時(shí)間，它們是逡逑確定脈沖電流波形的必要參數(shù)。逡逑ｌｏｏｔ－邐ｆＴｒ￣＇逡逑°邋ｒｒｒ＇邋７逡逑�。插澹裕椋恚邋澹ǎǎ椋螅╁义蠄D１－２標(biāo)準(zhǔn)ＩＥＣ６００６０－１定義的脈沖雷電流波形ｌ８］逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｉｍｐｕｌｓｉｖｅ邋ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ邋ｃｕｒｒｅｎｔ邋ｗａｖｅｆｏｒｍ邋ｄｅｆｉｎｅｄ邋ｉｎ邋ＩＥＣ６００６０－１邋［８］逡逑１．２．３飛機(jī)雷電測(cè)試分區(qū)逡逑考慮到飛機(jī)上不同部位和結(jié)構(gòu)發(fā)生雷擊的強(qiáng)度和頻率不同，標(biāo)準(zhǔn)ＡＰＲ逡逑５４１４Ｗ中將飛機(jī)化分為不同的雷擊試驗(yàn)區(qū)域，圖１－３為典型的大型商用運(yùn)輸機(jī)逡逑雷電分區(qū)圖解。１區(qū)包括機(jī)頭和發(fā)動(dòng)機(jī)罩等的靠近機(jī)頭區(qū)域，其余的大部分機(jī)逡逑身面積歸為２區(qū)

Ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ邋ｆｏｒ邋ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ邋ｓｔｒｉｋｅ邋ｚｏｎｅ邋ｄｅｔａｉｌｓ邋ｏｆ邋ｔｒａｎｓｐｏｒｔ邋ａｉｒｃｒａ區(qū)都與一組特定的電流分量嚴(yán)格對(duì)應(yīng)，見(jiàn)表１－２，對(duì)應(yīng)最具威脅的Ａ波，２區(qū)則包含有較低威脅的Ｄ波，，３區(qū)需要考慮Ａ波。在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，要求在一次放電過(guò)程中樣［７］。例如，針對(duì)２Ａ區(qū)的電弧注入試驗(yàn)要求在一次放電和Ｃ＊按次序連續(xù)注入試樣，而不是作為單獨(dú)的雷電流分入試樣。這樣要求的目的是盡可能地復(fù)現(xiàn)雷電所可能產(chǎn)夠較為真實(shí)地模擬雷電作用下試樣的綜合響應(yīng)。逡逑電直接效應(yīng)試驗(yàn)中飛機(jī)結(jié)構(gòu)雷電分區(qū)及其對(duì)應(yīng)測(cè)試電流ｉｇｈｔｎｉｎｇ邋ｚｏｎｅ邋ｏｆ邋ａｉｒｃｒａｆｔ邋ａｎｄ邋ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ邋ｃｕｒｒｅｎｔ邋ｃｏｍｐｏｎｅｌｉｇｈｔｎｉｎｇ邋ｄｉｒｅｃｔ邋ｅｆｆｅｃｔ邋ｔｅｓｔ邋［５］邐分區(qū)說(shuō)明邐電流波形逡逑初始回?fù)魠^(qū)邐Ａ．Ｂ．Ｃ＊，Ｈ逡逑初始回?fù)魠^(qū)且懸停時(shí)間較長(zhǎng)邐Ａｈ，Ｂ，（Ｔ，Ｄ，初始回?fù)暨^(guò)渡區(qū)邐Ａ，Ｂ，Ｃ．邋Ｄ，
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：V25;TB33


本文編號(hào)：2684667