The invention discloses a method for calculating the damage of carbon fiber composites under the action of a single fast rising lightning current component. The anisotropic conductivity of carbon fiber composites under a pre-designed lightning damage simulation condition is obtained by extrapolating the dynamic impedance curve of carbon fiber composites obtained under the action of non-destructive lightning current, as a carbon fiber composite under a specified single lightning current component parameter. The initial condition of material conductivity in the thermoelectric coupling model of composite materials can better simulate the real lightning effect of carbon fiber composites, and more accurately obtain lightning damage of carbon fiber composites, including the correlation between lightning damage area and depth and lightning current component parameters, and explore the lightning damage mechanism of carbon fiber composites and carbon fiber composites. The research of formulation, process and its performance improvement and engineering application lay a theoretical foundation.
【技术实现步骤摘要】
单一快上升雷电流分量作用下碳纤维复合材料损伤计算方法
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,具体涉及一种单一快上升雷电流分量作用下碳纤维复合材料损伤计算方法。
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 ...
【技术保护点】
1.单一快上升雷电流分量作用下碳纤维复合材料损伤计算方法,其特征在于包括如下步骤:(1)、建立快上升速率的雷电流分量试验平台,测试获得碳纤维复合材料雷电流作用下的准动态伏安特性曲线;(2)、对得到的碳纤维复合材料非破坏雷击作用下的伏安特性曲线进行数值拟合,获得碳纤维复合材料阻抗或电导率与波形参数之间的数学表达式;(3)、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(2)获得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A分量、Ah分量或D分量作用下的各向异性电导率,雷电流峰值外推到100kA至200kA,作为碳纤维复合材料快上升速率雷电流热电耦合模型中材料电导率的初始条件;(4)、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;(5)、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;(6)、划分碳纤维复合材料热电耦合模型的仿真计算网格,设定注入的单一快上升雷电流分量参数,计算雷电流与碳纤维复合材料作用过程中存在的 ...
【技术特征摘要】
1.单一快上升雷电流分量作用下碳纤维复合材料损伤计算方法,其特征在于包括如下步骤:(1)、建立快上升速率的雷电流分量试验平台,测试获得碳纤维复合材料雷电流作用下的准动态伏安特性曲线;(2)、对得到的碳纤维复合材料非破坏雷击作用下的伏安特性曲线进行数值拟合,获得碳纤维复合材料阻抗或电导率与波形参数之间的数学表达式;(3)、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(2)获得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A分量、Ah分量或D分量作用下的各向异性电导率,雷电流峰值外推到100kA至200kA,作为碳纤维复合材料快上升速率雷电流热电耦合模型中材料电导率的初始条件;(4)、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;(5)、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;(6)、划分碳纤维复合材料热电耦合模型的仿真计算网格,设定注入的单一快上升雷电流分量参数,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;(7)、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;...
【专利技术属性】
技术研发人员:孙晋茹,姚学玲,田向渝,陈景亮,
申请(专利权)人:西安交通大学,
类型:发明
国别省市:陕西,61
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