【摘要】：近年來,強(qiáng)度高、重量輕以及易于制造的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)已經(jīng)廣泛地用于飛行器、導(dǎo)彈和艦船中的殼體設(shè)計(jì)制備中。然而,相對于傳統(tǒng)金屬材料,碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料導(dǎo)電性能差異明顯,因此,研究碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的屏蔽效能對平臺和系統(tǒng)的電磁安全性具有至關(guān)重要的意義。然而,采用改進(jìn)時(shí)域有限差分方法(FDTD)計(jì)算碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料及殼體的屏蔽效能,存在材料屬性復(fù)雜和薄層帶來的多尺度計(jì)算難題。為此,論文開展了各向異性纖維增強(qiáng)介質(zhì)結(jié)構(gòu)的高性能FDTD計(jì)算方法及應(yīng)用研究,主要工作及創(chuàng)新點(diǎn)總結(jié)如下:(1)采用均勻化方法,建立碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的等效介質(zhì)模型,并提取其等效電磁參數(shù);進(jìn)一步地,推導(dǎo)了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料薄層的反射系數(shù)、透射系數(shù)和屏蔽效能計(jì)算公式。(2)發(fā)展了基于亞網(wǎng)格邊界條件的嵌入式碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料薄片模型。該模型將各向異性碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料薄層等效為一維結(jié)構(gòu),并將其嵌入到三維網(wǎng)格中,避免了對整個(gè)空間用精細(xì)網(wǎng)格剖分,縮減了網(wǎng)格數(shù)量;進(jìn)一步地,在薄層內(nèi)部采用準(zhǔn)一維C-NFDTD(Crank-Nicolson FDTD)方法,得到了所有電、磁場分量,該方法中的時(shí)間步長不受薄層內(nèi)部精細(xì)網(wǎng)格的限制;特別地,將嵌入式碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料薄片模型成功地集成到大規(guī)模并行計(jì)算程序JEMS-FDTD中,通過計(jì)算實(shí)例證明該程序?qū)μ祭w維增強(qiáng)復(fù)合材料薄層建模仿真的正確性和高效性。(3)基于自研大規(guī)模FDTD并行算法,數(shù)值模擬了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中不同層數(shù)、不同纖維角排列方式、不同極化入射波對單面碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料腔體屏蔽效能的影響,并且給出了全碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料腔體的屏蔽效能計(jì)算結(jié)果;最后,分別數(shù)值模擬了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料飛機(jī)艙門、簡化導(dǎo)彈彈殼和簡化飛機(jī)模型的屏蔽效能,模擬結(jié)果與商業(yè)軟件對比,驗(yàn)證了嵌入式碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料薄片模型及大規(guī)模JEMS-FDTD的效率和精度。這些方面結(jié)果可用于飛機(jī)艙體和導(dǎo)彈彈殼的強(qiáng)電磁防護(hù)設(shè)計(jì)中。
【圖文】：

：：銷每邐Ｓｔｅｄ逡逑Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ邋Ａｌｌｏｙ逡逑圖１．２空客Ａ３８０飛．機(jī)機(jī)身材料占比逡逑ｍ邋ＣＦＲＰ逡逑Ｊ邋ｍ邋Ｍｅｔａｌ逡逑暑邐W邋Ｇｌａｓｓ逡逑圖１．３殼體由ＣＦＲＰ材料組成的戰(zhàn)斗機(jī)逡逑１逡逑

隨著材料復(fù)合技術(shù)的不斷發(fā)展，具有高強(qiáng)度、輕重量以及易于制造的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合逡逑材料（Ｃａｒｂｏｎ邋Ｆｉｂｅｒ邋Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ邋Ｐｏｌｙｍｅｒ，邋ＣＦＲＰ）已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于人們生活的各個(gè)領(lǐng)域，逡逑尤其是被用作各種大型電子設(shè)備外殼制造，例如大型客機(jī)、艦船和導(dǎo)彈等。如圖１．２、１．３逡逑及１．４所示，空客Ａ３８０客機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)身以及艦船艦體材料組成中均有大量ＣＦＲＰ材料。逡逑然而相較于金屬材料，ＣＦＲＰ材料導(dǎo)電性能差了好幾個(gè)量級，導(dǎo)致其屏蔽性能降低，有可逡逑能無法保證目標(biāo)體的安全。飛機(jī)、艦船和導(dǎo)彈等通常處于復(fù)雜電磁環(huán)境中，當(dāng)其屏蔽外殼逡逑是由ＣＦＲＰ材料制成時(shí)，若其能很好地屏蔽外部電磁能量，可以保證平臺和系統(tǒng)在復(fù)雜電逡逑磁環(huán)境（例如閃電、核電磁脈沖）中正常工作。因此，研究ＣＦＲＰ材料的電磁屏蔽性能極逡逑其重要。逡逑對于ＣＦＲＰ材料電磁屏蔽性能的研究主要分為實(shí)驗(yàn)和計(jì)算兩種方法，對于飛機(jī)、導(dǎo)彈逡逑等大型機(jī)械結(jié)構(gòu)，用實(shí)驗(yàn)方法大大增加了成本和時(shí)間，所以對于數(shù)值模擬計(jì)算方法的研究逡逑是必要的。逡逑用數(shù)值模擬技術(shù)研究分析ＣＦＲＰ材料屏蔽效能通常有兩大難題：一是由于ＣＦＲＰ材料逡逑是由碳纖維和基體復(fù)合而成
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TB33;TQ327.3

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本文編號：2668939