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一种 复合材料 雷击烧蚀损伤仿真分析的新方法

阅读：478发布：2020-05-08

专利汇可以提供一种复合材料雷击烧蚀损伤仿真分析的新方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且飞机遭受雷击事故自研发之初起就已经出现，而随着民航与军用飞机的发展，飞机所需航时、航线逐年增加，其遭受雷击事件更加频繁。此外，复合材料具有极低的导电性，其在飞机上的大量使用，易导致灾难性事故，极大地威胁民航飞机运营安全。基于此，本专利提出了一种改进仿真分析方法，分析雷击电流作用复合材料会产生损伤程度，如图1所示为分析的流程图。目前，国内外研究主要以实验为主，但实验成本较高。因此，国内外学者分别以仿真的方法研究复合材料烧蚀损伤，但分析结果差别较大，具有一定的误差。本专利采用ABAQUS 软件，通过改进的仿真方法，结果发现其仿真结果更接近实验结果，证明该改进方法的准确性。，下面是一种复合材料雷击烧蚀损伤仿真分析的新方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种复合材料雷击烧蚀损伤仿真分析的新方法，其特征在于：所述复合材料雷击烧蚀损伤仿真分析流程包括定义单元类型、材料模型和初始边界条件1、加载雷击电流2、读取单元温度3、判断温度是否达到临界温度4、改变材料属性5、判断加载电流步是否都已经完成6、输出温度场7、观察损伤面积8。首先定义单元类型、材料模型和初始边界条件1；其次，加载雷击电流2；其次，仿真分析，读取该步骤仿真得到的单元温度3；其次，判断温度是否达到临界温度4，若达到临界温度，则进行材料属性5，若没达到材料温度，则继续加载雷击电流2；其次，判断加载电流步是否都已经完成6，若完成输出温度场7，若不完成继续加载下一步雷击电流2；根据输出温度场7，观察损伤面积8。
2.根据权利要求1所述的雷击电流包括A波形、B波形、C波形、D波形。其中A波形、B波形、D波形可通过双指数波形表示，C波形一般为矩形波，其幅值在200A～800A之间，转移电荷量一般为200C，由于A波形雷击电流对复合材料雷击烧蚀损伤影响最大，本专利研究A波形雷击电流对复合材料雷击烧蚀损伤。
所述的雷击电流施加方法，对传统单点施加方法的改进，以5mm雷击半径通道的形式施加雷击电流于复合材料上。
3.根据权利要求1所述的改变材料属性5、由于复合材料属性随温度发生改变，当温度达到3317℃时，纤维升华，则ABAQUS损失单元完全失效，但是根据ABAQUS连续性准则，其损伤单元不能删除，因此本专利增加了3317℃时复合材料属性，仿真结果更加准确。

说明书全文

一种复合材料 雷击烧蚀损伤仿真分析的新方法

技术领域

[0001] 本发明属于软件仿真技术领域，特别是涉及一种复合材料雷击烧蚀损伤分析领域。

背景技术

[0002] 飞机遭受雷击事故自研发之初起就已经出现，而随着民航与军用飞机的发展，飞机所需航时、航线逐年增加，其遭受雷击事件更加频繁。此外，复合材料具有极低的导电性，其在飞机上的大量使用，易导致灾难性事故，极大地威胁民航飞机运营安全。目前，国内外研究复合材料雷击损伤主要以实验为主，但实验成本较高。因此，国内外学者分别以仿真的方法研究复合材料烧蚀损伤，但分析结果差别较大，具有一定的误差。

发明内容

[0003] 为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种仿真方法，减小复合材料雷击损伤的仿真与实验误差。

[0004] 为了达到上述目的，本发明提供的一种改进复合材料雷击损伤仿真方法。采用ABAQUS软件，通过温度叠加法分析复合材料雷击烧蚀损伤情况。所述的ABAQUS软件是由达索(dassault)公司研发的一款数值仿真软件，其通过数值计算和图像显示的方法，达到对工程问题、物理问题及自然界各类问题的研究，结果准确、节约成本及时间。所述的温度叠加法是通过逐步施加电流的方法，将上一步的温度场以预定义场的形式加载，施加电流，复合材料继续由电生热，温度与预定义场温度叠加，从而获得该步电流施加后的温度场分布。基于此原理，直到电流施加完成。

[0005] 所述的复合材料为飞机上常用的碳纤维增强树脂基材料，其由碳纤维与增强树脂组成。所述的碳纤维(carbon fiber，简称CF)，是一种含碳量在95％以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维“外柔内刚”，质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、高模量的特性，在国防军工和民用方面都是重要材料。它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。所述的纤维增强树脂基复合材料常用的树脂为环氧树脂和不饱和聚酯树脂。目前常用的有：热固性树脂、热塑性树脂，以及各种各样改性或共混基体。热塑性树脂可以溶解在溶剂中，也可以在加热时软化和熔融变成粘性液体，冷却后又变硬。热固性树脂只能一次加热和成型，在加工过程中发生固化，形成不熔和不溶解的网状交联型高分子化合物，因此不能再生。复合材料的树脂基体，以热固性树脂为主。

[0006] 所述的烧蚀损伤为复合材料由于极低的导电性，雷击电流附着在复合材料表面会形成极大的温度梯度。当温度达到250℃时树脂基开始融化；当温度到达600℃时，树脂完全融化；随着温度进一步升高，树脂汽化；当温度达到3316℃时，碳纤维开始升华；当温度达到3316℃以上时，复合材料被烧蚀掉。因此，复合材料状态由于随温度发生改变，其材料属性也随着温度而发生改变。

[0007] 所述的雷击电流包括A波形、B波形、C波形、D波形。其中A波形、B波形、D波形可通过双指数波形表示，C波形一般为矩形波，其幅值在200A～800A之间，转移电荷量一般为200C，由于A波形雷击电流对复合材料雷击烧蚀损伤影响最大，因此，国内外学者在研究复合材料雷击烧蚀损伤以A波形为主，本专利研究A波形雷击电流对复合材料雷击烧蚀损伤。雷击电流附着在复合材料表面时，不是单点接触复合材料表面，是以5mm雷击半径的通道的形式接触复合材料表面。

[0008] 本发明提供的复合材料雷击仿真损伤方法具有如下有益效果：采用ABAQUS软件，基于温度叠加法，通过改进了复合材料属性及雷击电流施加方法，仿真得到烧蚀损伤结果更接近于实验，证明仿真过程的准确性。该仿真过程相对于实验节约了成本与时间，对民机的雷击防护设计与维修有一定参考意义。附图说明

[0009] 图1为本发明提供的分析流程图；

[0010] 图2为本发明提供的复合材料网格划分、雷击电流加载及边界条件；

[0011] 图3为本发明提供的典型模拟雷电流波形；

[0012] 图4为本发明提供的施加波形8/20峰值电流50kA复合材料损伤面积；

[0013] 图5为本发明提供的施加波形8/20峰值电流20kA复合材料损伤面积；

具体实施方式

[0014] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

[0015] 如图1-图4所示，本发明提供的复合材料雷击烧蚀损伤仿真分析过程；仿真分析流程图如图1所示。其中包括定义单元类型、材料模型和初始边界条件1、加载雷击电流2、读取单元温度3、判断温度是否达到临界温度4、改变材料属性5、判断加载电流步是否都已经完成6、输出温度场7、观察损伤面积8。所述的分析流程，首先定义单元类型、材料模型和初始边界条件1；其次，加载雷击电流2；其次，仿真分析，读取该步骤仿真得到的单元温度3；其次，判断温度是否达到临界温度4，若达到临界温度，则进行材料属性5，若没达到材料温度，则继续加载雷击电流2；其次，判断加载电流步是否都已经完成6，若完成输出温度场7，若不完成继续加载下一步雷击电流2；根据输出温度场7，观察损伤面积8。

[0016] 所述的复合材料随温度改变的密度、电导率、热导率、比热如表1、表2所示。所述的雷击电流波形，包括A波形、B波形、C波形、D波形，如图3所示。其中A波形、B波形、D波形可通过双指数波形表示，C波形一般为矩形波，其幅值在200A～800A之间，转移电荷量一般为200C，由于A波形雷击电流对复合材料雷击烧蚀损伤影响最大，因此，国内外学者在研究复合材料雷击烧蚀损伤以A波形为主，本专利研究A波形雷击电流对复合材料雷击烧蚀损伤。
雷击电流附着在复合材料表面时，不是单点接触复合材料表面，是以5mm雷击半径的通道的形式9接触复合材料表面。

[0017] 表1

[0018]

[0019] 表2

[0020]

[0021] 所述的复合材料雷击烧蚀损伤面积如图4、图5所示，图4、图5分别根据国内外学者的实验过程，通过本专利改进仿真过程得到的雷击烧蚀损伤图，温度达到600℃时，增强树脂完全融化，因此定义600℃以上为烧蚀损伤部位10、11，其损伤面积相比于国内仿真结果更接近实验值，如表3所示。通过对比发现，本实验结果更贴近于实验。

[0022] 表3

[0023]

[0024] 现将本发明提供的一种复合材料雷击烧蚀损伤仿真分析方法原理阐述如下：

[0025] 本发明提供的复合材料雷击烧蚀损伤仿真分析过程；仿真分析流程图如图1所示。其中包括定义单元类型、材料模型和初始边界条件1、加载雷击电流2，电流波形采用对复合材料损伤最严重的A波形，并以雷击通道半径为5mm尺寸施加9、读取单元温度3、判断温度是否达到临界温度4、改变材料属性5，材料属性采用表1、表2材料属性、判断加载电流步是否都已经完成6、输出温度场7、观察损伤面积8。所述的分析流程，首先定义单元类型、材料模型和初始边界条件1；其次，加载雷击电流2；其次，仿真分析，读取该步骤仿真得到的单元温度3；其次，判断温度是否达到临界温度4，若达到临界温度，则进行材料属性5，若没达到材料温度，则继续加载雷击电流2；其次，判断加载电流步是否都已经完成6，若完成输出温度场7，若不完成继续加载下一步雷击电流2；根据输出温度场7，观察损伤面积8。

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