单一雷电流分量作用下碳纤维复合材料损伤仿真计算方法技术

本发明专利技术公开一种单一雷电流分量作用下碳纤维复合材料损伤仿真计算方法，碳纤维复合材料的电导率热解度变化的规律作为模型的仿真计算条件，这种考虑树脂热解的碳纤维复合材料的热电耦合模型，将雷电流作用过程中的热效应过程与碳纤维复合材料的电导特性直接关联，较为准确地得到碳纤维复合材料层合板的雷电损伤面积、深度与雷电分量参数之间的关系规律，探究碳纤维复合材料与的雷电损伤机理，为碳纤维复合材料层合板配方、工艺的研究提供理论依据。

Damage simulation method of carbon fiber reinforced composites under single lightning current component

The invention discloses a simulation calculation method for damage of carbon fiber composites under the action of a single lightning current component. The law of the change of conductivity and pyrolysis degree of carbon fiber composites is taken as the simulation calculation condition of the model. The thermoelectric coupling model of carbon fiber composites considering the pyrolysis of resin is used to simulate the thermal effect process during the action of lightning current and the conductivity characteristics of carbon fiber composites. By direct correlation, the relationship between lightning damage area, depth and lightning component parameters of carbon fiber composite laminates can be obtained more accurately. The lightning damage mechanism of carbon fiber composite laminates is explored, which provides theoretical basis for the formulation and technology research of carbon fiber composite laminates.

【技术实现步骤摘要】
单一雷电流分量作用下碳纤维复合材料损伤仿真计算方法
本专利技术属于碳纤维复合材料雷电损伤的仿真计算方法，特别涉及一种单一雷电流分量作用下碳纤维复合材料损伤仿真计算方法。
技术介绍
碳纤维复合材料既具有低密度、高强度、高模量、耐高温、耐化学腐蚀等特性，又具有纺织纤维的柔软可加工性，广泛应用于航空航天、军事及民用工业等各个领域。随着飞机设计的改进和碳纤维复合材料技术的进步，碳纤维增强型聚合物复合材料CFRP(CarbonFiberReinforcedPolymers)在大型民用飞机、军用飞机、无人机及隐形飞机上的用量不断增长，从1960年麦道公司DC-9机型上CFRP的用量不足1％，到2011年末波音B787的主翼、尾翼、机体、地板等结构的50％用的是CFRP材料，空客A350XWA上CFRP材料所占的比例达到53％。相比较飞机中传统使用的铝、钢和钛合金材料，CFRP的电传导性能差。一般来讲，CFRP层合板经向方向的电阻率为10-5Ω·m量级、横向平面方向的电阻率为10-1Ω·m量级、深度/厚度方向的电阻率更大。这就使得CFRP层合板在雷击情况下无法像金属材料那样具有短时间使积累的电荷迅速转移或扩散的能力，这部分积聚的能量以焦耳热的形式使得CFRP温度急剧升高，从而导致CFRP的纤维断裂、树脂热解、深度分层等严重损伤。欧盟和美军标规定了航空器雷电直接的试验要求和雷电流分量，其中雷电分量包括分量A(首次雷电回击分量)或Ah(首次雷电回击的过渡分量)、B(中间电流分量)、C/C*(持续电流分量)和D(后续回击分量)电流波，其中雷电流分量A、Ah和D波均为峰值高(分别为200kA、150kA、100kA)、上升速率快的雷电流分量；雷电流分量B可以是平均电流2kA、上升时间短、持续时间为几个毫秒的双指数波，也可以是上升较为缓慢的方波电流；雷电流分量C为上升时间缓慢、持续时间几百毫秒的电流波。自CFRP问世以来，诸多学者就将研究热点集中在其机械特性的研究方面，得出了机械冲击参量与CFRP的抗拉伸强度、抗压缩强度及损伤区域和损伤深度之间的关系规律。目前而言，关于碳纤维复合材料雷电损伤的研究获得了越来越广泛的关注，许多研究者在实验手段缺乏的情况下，通过建立单一雷电流A分量作用下碳纤维复合材料雷电损伤的热电耦合模型，通过仿真计算初步获得了碳纤维复合材料雷电损伤面积、损伤深度的影响规律。但是，此仿真模型一般是以温度的临界值或者阻抗随热解度变化的规律而建立的，在临界温度临界值之前，热电耦合模型的初始条件均是静态(直流)小电流情况下碳纤维复合材料的电导率，完全忽略了雷电流作用下碳纤维复合材料电导率与静态直流小电流的显著差异，以及碳纤维复合材料雷电流作用下的非线性特征，使得仿真计算的结果与实际雷击下的雷电损伤存在较大差异。专利技术专利ZL2015104538855公开了室温情况下“碳纤维复合材料非破坏性雷电流作用下阻抗特性测量方法及测量装置”，相关文献的研究结果也表明：碳纤维复合材料由于其结构、工艺特性，在雷电流作用下其电导率呈现明显的非线性特性；但在不同的温度环境下，特别是在树脂热解之前，碳纤维复合材料的非线性导电特性与温度有关，如果不考虑碳纤维复合材料中树脂热解的温度特性，碳纤维复合材料热电耦合仿真模型机仿真计算结果和实际雷击效应将会出现较大的偏差。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种单一雷电流分量作用下碳纤维复合材料损伤仿真计算方法，准确地得到碳纤维复合材料层合板的雷电损伤面积、深度与雷电分量参数之间的关系规律，为碳纤维复合材料层合板配方、工艺的研究提供理论依据。为实现上述目的本专利技术采用如下方案：单一雷电流分量作用下碳纤维复合材料损伤仿真计算方法，包括如下步骤：1)、建立碳纤维复合材料雷电流作用下导电特性测量装置，该测量装置包括可控雷电流发生电源、温度环境试验箱和用于测量被试碳纤维复合材料层合板两端的电压和雷电流的脉冲电压取样单元和脉冲电流取样单元，脉冲电压取样单元和脉冲电流取样单元与计算机测控与分析单元相连，计算机测控与分析单元由高速数据采集单元、工业控制计算机和可编程序控制器组成；2)、将被试碳纤维复合材料层合板连接在测量装置实验回路中；3)、设置温度环境试验箱的加热温度，温度范围从室温至250℃，在温度范围内设置多个试验温度点，即T＝Ti(i＝1，2……m)；4)、设置被试碳纤维复合材料层合板的雷电流试验值，在雷电流试验值范围内设置多个试验值，即I＝Ij(j＝1，2……n)；5)、控制温度环境试验箱的初始温度升高至温度T1，计算机测控与分析单元(5)按照设定的雷电流试验的初始放电电流I1，通过高速数据采集单元和可编程序控制单元，控制可控雷电流发生电源的输出电流值达到IT11，将规定波形、峰值为IT11的雷电流流过被试碳纤维复合材料层合板；6)、被试碳纤维复合材料层合板两端的电压和通过的雷电流通过脉冲电压取样单元和脉冲电流取样单元提取，并输至计算机测控与分析单元的高速数据采集单元，计算机测控与分析单元将脉冲电压取样单元和脉冲电流取样单元提取的数据通过高速数据采集单元进行模数转换，计算机测控与分析单元进行数据分析处理，得到被试碳纤维复合材料层合板两端的电压UT11及初始放电电流IT11的值；7)、继续通过计算机测控与分析单元输出控制可编程序控制器使可控雷电流发生电源的输出电流峰值至I2，……，重复上述步骤，直至雷电流Im，由此获得温度T1下碳纤维复合材料的一组电流-电压值(IT11，UT11)、(IT12，UT12)……(IT1n，UT1n)；8)、控制升高温度试验箱的环境温度至T2，重复步骤4)—步骤6)，获得第二个温度点的一组数据(IT21，UT21)、(IT22，UT22)……(IT2n，UT2n)；9)、重复步骤4)—步骤7)，……，直至获得第m个温度点的一组数据(ITm1，UTm1)、(ITm2，UTm2)……(ITmn，UTmn)；10)、将得到的多组电流-电压值((IT11，UT11)、(IT12，UT12)……(IT1n，UT1n))……((ITm1，UTm1)、(ITm2，UTm2)……(ITmn，UTmn))，进行分析得到被试碳纤维复合材料层合板雷电流和温度两个因子作用下的伏安特性曲线；11)、将步骤10)得到的伏安特性曲线进行数值拟合，获得碳纤维复合材料温度与雷电流两重因子作用下电导率与雷电流参数以及电导率与温度之间的数学表达式；12)、按照预先设计的碳纤维复合材料雷电损伤仿真条件，将碳纤维复合材料的电导率按照步骤(11)的数学表达式进行外推，计算碳纤维复合材料在规定雷电流峰值的单一雷电流分量作用下的各向异性电导率，雷电流峰值的外推范围最大到100kA至200kA，作为碳纤维复合材料热电耦合模型中材料电导率的初始条件；13)、设置拟建模仿真的碳纤维复合材料层合板的铺层结构，材料的密度、比热、热导率及机械强度参数；14)、设置碳纤维复合材料雷电损伤的仿真模型边界条件，包括环境温度、临界温度，雷击作用过程中碳纤维复合材料与周围环境的热传导及辐射系数；15)、划分碳纤维复合材料热电耦合模型的仿真计算网格，设定注入的雷电流分量参数，仿真计算雷电流与碳纤维复合材料作用过程中存在的热电效应；16)、在碳纤本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.单一雷电流分量作用下碳纤维复合材料损伤仿真计算方法，其特征在于包括如下步骤：1)、建立碳纤维复合材料雷电流作用下导电特性测量装置，该测量装置包括可控雷电流发生电源(1)、温度环境试验箱(6)和用于测量被试碳纤维复合材料层合板(4)两端的电压和雷电流的脉冲电压取样单元(2)和脉冲电流取样单元(3)，脉冲电压取样单元(2)和脉冲电流取样单元(3)与计算机测控与分析单元(5)相连，计算机测控与分析单元(5)由高速数据采集单元(7)、工业控制计算机(8)和可编程序控制器(9)组成；2)、将被试碳纤维复合材料层合板(4)连接在测量装置实验回路中；3)、设置温度环境试验箱(6)的加热温度，温度范围从室温至250℃，在温度范围内设置多个试验温度点，即T＝Ti(i＝1，2……m)；4)、设置被试碳纤维复合材料层合板(4)的雷电流试验值，在雷电流试验值范围内设置多个试验值，即I＝Ij(j＝1，2……n)；5)、控制温度环境试验箱(6)的初始温度升高至温度T1，计算机测控与分析单元(5)按照设定的雷电流试验的初始放电电流I1，通过高速数据采集单元(7)和可编程序控制单元(9)，控制可控雷电流发生电源(1)的输出电流值达到IT11，将规定波形、峰值为IT11的雷电流流过被试碳纤维复合材料层合板(4)；6)、被试碳纤维复合材料层合板(4)两端的电压和通过的雷电流通过脉冲电压取样单元(2)和脉冲电流取样单元(3)提取，并输至计算机测控与分析单元(5)的高速数据采集单元(7)，计算机测控与分析单元(5)将脉冲电压取样单元(2)和脉冲电流取样单元(3)提取的数据通过高速数据采集单元(7)进行模数转换，计算机测控与分析单元(5)进行数据分析处理，得到被试碳纤维复合材料层合板(4)两端的电压UT11及初始放电电流IT11的值；7)、继续通过计算机测控与分析单元(5)输出控制可编程序控制器(9)使可控雷电流发生电源(1)的输出电流峰值至I2，……，重复上述步骤(5)，直至雷电流Im，由此获得温度T1下碳纤维复合材料(4)的一组电流‑电压值(IT11，UT11)、(IT12，UT12)……(IT1n，UT1n)；8)、控制升高温度试验箱的环境温度至T2，重复步骤4)—步骤6)，获得第二个温度点的一组数据(IT21，UT21)、(IT22，UT22)……(IT2n，UT2n)；9)、重复步骤4)—步骤7)，……，直至获得第m个温度点的一组数据(ITm1，UTm1)、(ITm2，UTm2)……(ITmn，UTmn)；10)、将得到的多组电流‑电压值((IT11，UT11)、(IT12，UT12)……(IT1n，UT1n))……((ITm1，UTm1)、(ITm2，UTm2)……(ITmn，UTmn))，进行分析得到被试碳纤维复合材料层合板(4)雷电流和温度两个因子作用下的伏安特性曲线；11)、将步骤10)得到的伏安特性曲线进行数值拟合，获得碳纤维复合材料温度与雷电流两重因子作用下电导率与雷电流参数以及电导率与温度之间的数学表达式；12)、按照预先设计的碳纤维复合材料雷电损伤仿真条件，将碳纤维复合材料的电导率按照步骤(11)的数学表达式进行外推，计算碳纤维复合材料在规定雷电流峰值的单一雷电流分量作用下的各向异性电导率，雷电流峰值的外推范围最大到100kA至200kA，作为碳纤维复合材料热电耦合模型中材料电导率的初始条件；13)、设置拟建模仿真的碳纤维复合材料层合板的铺层结构，材料的密度、比热、热导率及机械强度参数；14)、设置碳纤维复合材料雷电损伤的仿真模型边界条件，包括环境温度、临界温度，雷击作用过程中碳纤维复合材料与周围环境的热传导及辐射系数；15)、划分碳纤维复合材料热电耦合模型的仿真计算网格，设定注入的雷电流分量参数，仿真计算雷电流与碳纤维复合材料作用过程中存在的热电效应；16)、在碳纤维复合材料的温度升高到临界值之前，碳纤维复合材料内部树脂尚未发生热解，在仿真计算过程中，以碳纤维复合材料的电导随温度和雷电流两重因子变化的规律作为仿真计算的依据；17)、当碳纤维复合材料的温度升高到临界值之后，碳纤维复合材料内部树脂出现热解，随着材料热解度的增加，碳纤维复合材料的导电特性、导热特性及机械性能均会发生巨大变化，其导电特性由原来的绝缘或高阻状态转变为良导体，其电导率按照树脂热解后的电导特性进行仿真计算；18)、根据仿真计算得到的碳纤维复合材料在单一雷电流分量作用下的温度及热解度分布，对其雷电损伤面积和损伤深度进行分析。...

【技术特征摘要】
1.单一雷电流分量作用下碳纤维复合材料损伤仿真计算方法，其特征在于包括如下步骤：1)、建立碳纤维复合材料雷电流作用下导电特性测量装置，该测量装置包括可控雷电流发生电源(1)、温度环境试验箱(6)和用于测量被试碳纤维复合材料层合板(4)两端的电压和雷电流的脉冲电压取样单元(2)和脉冲电流取样单元(3)，脉冲电压取样单元(2)和脉冲电流取样单元(3)与计算机测控与分析单元(5)相连，计算机测控与分析单元(5)由高速数据采集单元(7)、工业控制计算机(8)和可编程序控制器(9)组成；2)、将被试碳纤维复合材料层合板(4)连接在测量装置实验回路中；3)、设置温度环境试验箱(6)的加热温度，温度范围从室温至250℃，在温度范围内设置多个试验温度点，即T＝Ti(i＝1，2……m)；4)、设置被试碳纤维复合材料层合板(4)的雷电流试验值，在雷电流试验值范围内设置多个试验值，即I＝Ij(j＝1，2……n)；5)、控制温度环境试验箱(6)的初始温度升高至温度T1，计算机测控与分析单元(5)按照设定的雷电流试验的初始放电电流I1，通过高速数据采集单元(7)和可编程序控制单元(9)，控制可控雷电流发生电源(1)的输出电流值达到IT11，将规定波形、峰值为IT11的雷电流流过被试碳纤维复合材料层合板(4)；6)、被试碳纤维复合材料层合板(4)两端的电压和通过的雷电流通过脉冲电压取样单元(2)和脉冲电流取样单元(3)提取，并输至计算机测控与分析单元(5)的高速数据采集单元(7)，计算机测控与分析单元(5)将脉冲电压取样单元(2)和脉冲电流取样单元(3)提取的数据通过高速数据采集单元(7)进行模数转换，计算机测控与分析单元(5)进行数据分析处理，得到被试碳纤维复合材料层合板(4)两端的电压UT11及初始放电电流IT11的值；7)、继续通过计算机测控与分析单元(5)输出控制可编程序控制器(9)使可控雷电流发生电源(1)的输出电流峰值至I2，……，重复上述步骤(5)，直至雷电流Im，由此获得温度T1下碳纤维复合材料(4)的一组电流-电压值(IT11，UT11)、(IT12，UT12)……(IT1n，UT1n)；8)、控制升高温度试验箱的环境温度至T2，重复步骤4)—步骤6)，获得第二个温度点的一组数据(IT21，UT21)、(IT22，UT22)……(IT2n，UT2n)；9)、重复步骤4)—步骤7)，……，直至获得第m个温度点的一组数据(ITm1，UTm1)、(ITm2，UTm2)……(ITmn，UTmn)；10)、将得到的多组电流-电压值((IT11，UT11)、(IT12，UT12)……(IT1n，UT1n))……((ITm1，UTm1)、(ITm2，UTm2)……(ITmn，UTmn))，进行分析得到被试碳纤维复合材料层合板(4)雷电流和温度两个因子作用下的伏安特性曲线；11)、将步骤10)得到的伏安特性曲线进行数值拟合，获得碳纤维复合材料温度与雷电流两重因子作用下电导率与雷电流参数以及电导率与温度之间的数学表达式；12)、按照预先设计的碳纤维复合材料雷电损伤仿真条件，将碳纤维复合材料的电导率按照步骤(11)的数学表达式进行外推，计算碳纤维复合材料在规定雷电流峰值的单一雷电流分量作用下的各向异性电导率，雷电流峰值的外推...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙晋茹，姚学玲，陈景亮，田向渝，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61