【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于雷击损伤仿真方法，涉及用于复合材料的雷击动态损伤仿真方法。
技术介绍
1、碳纤维复合材料以其轻量化、高强度和可塑性等优势愈来愈广泛应用于航空航天、海上风电和运输等领域，且已成为飞机先进性制造的重要标志。然而，其在飞机整流罩、机翼、机身等承载结构的应用正面临着雷击对飞行安全性的威胁。和传统的金属构件相比，碳纤维复合材料更低的电导率使得雷击过程的能量更易累积，加重雷击损伤，导致复合材料结构强度和刚度严重退化，威胁飞机的飞行安全。
2、飞机遭遇雷击时，大量的热能通过雷击通道的热传导和对流被连续地注入复合材料，雷击电流通过雷击附着点流入复合材料产生大量焦耳热，在雷击放电过程中，等离子体通道产生的热量持续传递到复合材料层合板中，同时，雷电放电产生的电流穿过雷击附着点进入复合材料产生大量的焦耳热，在高温作用下，树脂基和碳纤维经受熔化到蒸发的相变，复合材料表面会产生烧蚀凹陷损伤，并以蒸发速度被不断去除；同时，复合材料-雷击通道交界面也发生移动，导致复合材料表面雷击附着区域产生变形和动态损伤。
3、目前，复合材料雷击损伤的仿真主要聚焦于雷电流作用下复合材料内部热效应的定性评估，对复合材料雷击过程动态损伤规律及损伤模型并未进行系统研究，难以实现雷击动态损伤状态的有效仿真评估。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供用于复合材料的雷击动态损伤仿真方法，解决了现有技术中存在的难以实现雷击动态损伤状态有效仿真的问题。
2、本专利技术所采用的技术方案是，用
3、步骤1，建立复合材料三维几何模型，对几何模型进行网格划分以及定义网格类型并给几何模型定义与热解度相关的电热物理属性和场边界条件；
4、步骤2，给经过步骤1设置好条件的几何模型施加雷击电流分量和热流载荷，并将所有变量初始值设置为常温下的值，然后计算每个时间步下每个网格单元的热解度场、电势场、温度场；在计算每个时间步下各个网格单元的热解度场、电势场、温度场后，判断当前时间步下对应网格单元热解度的大小，若热解度小于等于0.4，则直接输出当前时间步下该网格的热解度场、电势场、温度场；若热解度大于0.4，则更新网格单元，实现材料表面附着区域动态变形，并输出当前时间步下该网格的热解度场、电势场、温度场以及复合材料表面雷击附着区域的动态损伤，下一时间步的计算则依据上一时间步更新后的网格进行，直到完成所有时间步的计算。
5、本专利技术的特征还在于，
6、与热解度相关的电热物理属性为：电导率、热导率、密度、比热容；
7、场边界条件包括电场边界条件和温度场边界条件，电场边界条件为：几何模型四周和底面为零电势面，顶面为电绝缘状态；温度场边界条件为：几何模型的顶面和四周为热辐射状态，底面为热绝缘状态。
8、网格类型设置为任意的拉格朗日-欧拉自适应网格。
9、步骤2中的雷击电流分量的表达式i(t)为：
10、
11、其中，t是时间；
12、热流载荷根据雷击电流分量计算且随时间和空间变化，其表达式q(r,t)为：
13、
14、其中，r是径向坐标，d是雷击通道半径。
15、步骤2中通过耦合求解电场控制方程和温度场控制方程计算每个时间步下每个网格单元的温度场和电场；
16、电场控制方程如下：
17、
18、式中，v的网格单元体积；是电势；σ是电导率矩阵；s是网格单元表面；j是电流密度，n是表面s的法向量即通过表面s进入网格单元内部的电流密度；rc是单位体积内的体积电流源；
19、温度场控制方程如下：
20、
21、式中，c、ρ、k分别表示复合材料的比热容、密度、导热系数，t为时间，x、y和z为三维方向，kxx、kyy、kzz分别为x、y和z三维方向的导热系数，pe为焦耳热，qα为热解反应热源或潜热源，当温度＜3316℃为热解反应热源，温度≥3316℃为潜热源，qs为辐射换热源和对流换热源；
22、热解度场的表达式为：
23、
24、其中，αi-1为上一时间步的热解度场，n为反应级数，a为指前因子，ea为活化能，r为气体常数，αi表示当前时间步的热解度场，ti-1为对应网格在上一个时间步下的温度，δt是时间步长。
25、每个时间步的每个网格单元计算按照热解度场表达式计算热解度后，若计算后热解度值大于等于1，则将对应时间步下该网格单元的场变量赋值为2，即就是认为该单元失效，若热解度值小于1，则将对应时间步下该网格单元的场变量赋值为热解度值。
26、热解反应热源或潜热源的表达式为：
27、
28、式中，ρ为复合材料的密度，hs为树脂热解反应焓，a为指前因子，ea为活化能，r为气体常数，ti-1为对应网格在上一个时间步下的温度，ti为对应网格在当前时间步下的温度，αi为当前时间步下的热解度场，n为反应级数，c为复合材料的比热容，δt是当前温度与3316℃的温差，δt是时间步长。
29、步骤2中若热解度大于0.4，则根据任意拉格朗日-欧拉技术的动网格方法更新网格单元，具体为：
30、步骤2.1，根据当前时间步对应网格单元的热解度场和温度场计算复合材料表面汽化前缘的凹陷速度：
31、
32、式中，β为蒸发系数，p0为大气压，其值为1.01×105pa，m为该单元固体物质的质量，hs为汽化潜热，tb为在大气压下的沸点，ti为对应网格在当前时间步下的温度；
33、步骤2.2，根据复合材料表面汽化前缘的凹陷速度重新生成网格。
34、步骤2.2根据复合材料表面汽化前缘的凹陷速度重新生成网格具体为：
35、对几何模型进行网格划分后，每个网格节点均依附于材料节点，当材料节点以凹陷速度v(ti)运动时，网格节点也随其保持一个相对速度发生运动，具体为：
36、采用材料框架a表征几个模型中材料节点的空间坐标，采用网格框架am表征几个模型中网格节点的空间坐标，对于时刻t，空间位置坐标s＝[x,y,z]，则材料节点的空间坐标为s(s,t)，网格节点的空间坐标为s(sm,t)，对应的，材料节点速度表示为：
37、
38、网格节点速度表示为：
39、
40、基于链式法则计算材料节点速度v(s,t)与网格节点速度v(sm,t)之间的相对速度vc：
41、
42、材料框架和网格框架之间的对应关系称为映射关系，则材料框架和网格框架之间场函数f的映射关系为：
43、
44、采用给定边界约束条件的温斯洛平滑方法对网格进行平滑变形，当网格在边界处的运动已知时，通过求解如下的温斯洛公式来重新生成内部网格：
45、
46、通过场函数f计算出网格变形后的本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.用于复合材料的雷击动态损伤仿真方法，其特征在于，具体按照如下步骤实施：
2.根据权利要求1所述的用于复合材料的雷击动态损伤仿真方法，其特征在于，所述与热解度相关的电热物理属性为：电导率、热导率、密度、比热容；
3.根据权利要求1或2所述的用于复合材料的雷击动态损伤仿真方法，其特征在于，所述网格类型设置为任意的拉格朗日-欧拉自适应网格。
4.根据权利要求3所述的用于复合材料的雷击动态损伤仿真方法，其特征在于，所述步骤2中的雷击电流分量的表达式I(t)为：
5.根据权利要求2所述的用于复合材料的雷击动态损伤仿真方法，其特征在于，所述步骤2中通过耦合求解电场控制方程和温度场控制方程计算每个时间步下每个网格单元的温度场和电场；
6.根据权利要求5所述的用于复合材料的雷击动态损伤仿真方法，其特征在于，所述每个时间步的每个网格单元计算按照热解度场表达式计算热解度后，若计算后热解度值大于等于1，则将对应时间步下该网格单元的场变量赋值为2，即就是认为该单元失效，若热解度值小于1，则将对应时间步下该网格单元的场变量赋值为热解度值。p>
7.根据权利要求6所述的用于复合材料的雷击动态损伤仿真方法，其特征在于，所述热解反应热源或潜热源的表达式为：
8.根据权利要求7所述的用于复合材料的雷击动态损伤仿真方法，其特征在于，所述步骤2中若热解度大于0.4，则根据任意拉格朗日-欧拉技术的动网格方法更新网格单元，具体为：
9.根据权利要求8所述的用于复合材料的雷击动态损伤仿真方法，其特征在于，所述步骤2.2根据复合材料表面汽化前缘的凹陷速度重新生成网格具体为：
...【技术特征摘要】
1.用于复合材料的雷击动态损伤仿真方法，其特征在于，具体按照如下步骤实施：
2.根据权利要求1所述的用于复合材料的雷击动态损伤仿真方法，其特征在于，所述与热解度相关的电热物理属性为：电导率、热导率、密度、比热容；
3.根据权利要求1或2所述的用于复合材料的雷击动态损伤仿真方法，其特征在于，所述网格类型设置为任意的拉格朗日-欧拉自适应网格。
4.根据权利要求3所述的用于复合材料的雷击动态损伤仿真方法，其特征在于，所述步骤2中的雷击电流分量的表达式i(t)为：
5.根据权利要求2所述的用于复合材料的雷击动态损伤仿真方法，其特征在于，所述步骤2中通过耦合求解电场控制方程和温度场控制方程计算每个时间步下每个网格单元的温度场和电场；
6.根据权利要求5所述的用于复合...
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