雷電環(huán)境下復(fù)合材料層合板電-磁-熱-結(jié)構(gòu)耦合效應(yīng)研究.pdf

1、先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)因其比強(qiáng)度和比剛度高、性能可設(shè)計(jì)性等特點(diǎn)，可以滿足現(xiàn)代飛行器結(jié)構(gòu)多功能一體化設(shè)計(jì)需求，于是廣泛地應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，尤其是先進(jìn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域。但是，相比傳統(tǒng)的金屬材料，復(fù)合材料導(dǎo)電能力差且各向異性，從而導(dǎo)致復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)電磁屏蔽性能的缺失，使得飛機(jī)對(duì)雷電環(huán)境更敏感且容易因雷擊事件而發(fā)生災(zāi)難性破壞。雷電可以給飛機(jī)結(jié)構(gòu)帶來直接效應(yīng)和間接效應(yīng)兩個(gè)方面影響，論文主要針對(duì)復(fù)合材料雷擊直接效應(yīng)問題開展如下幾個(gè)方面研究：
　

2、　1.針對(duì)典型飛機(jī)復(fù)合材料加筋壁板開展雷擊試驗(yàn)；對(duì)雷電流通道與復(fù)合材料加筋壁板間的相互作用過程進(jìn)行定性分析，將復(fù)合材料加筋壁板表面雷擊損傷區(qū)域分解成五個(gè)區(qū)域，分別是：初始附著區(qū)、附著傳導(dǎo)區(qū)、附著擴(kuò)展區(qū)、二次附著區(qū)和掃掠損傷區(qū)；對(duì)不同厚度局部噴鋁、全噴鋁、銅網(wǎng)以及未防護(hù)等四類防護(hù)形式的六件復(fù)合材料加筋壁板試驗(yàn)件的表面雷擊損傷區(qū)域分區(qū)特性進(jìn)行了詳細(xì)分析。
　　2.針對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)遭受雷擊過程的物理環(huán)境尤其是電磁環(huán)境進(jìn)行了理論分析和數(shù)值

3、模擬。將復(fù)合材料加筋壁板處理成復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)，建立了三維雷電環(huán)境下復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)電磁場有限元分析模型，計(jì)算了雙指數(shù)雷電流波形電磁場。有限元計(jì)算結(jié)果與理論吻合較好，同時(shí)，與復(fù)雜的電磁場理論相比較，有限元結(jié)果更直觀地反映了復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)電磁場分布特性和放電通道對(duì)結(jié)構(gòu)電磁場的影響。
　　3.開展了雷電環(huán)境下電磁力對(duì)復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響分析。比較了僅考慮板載雷電流電磁場和考慮放電通道電磁場兩種情況下電磁力引起的層合板應(yīng)

4、力場和位移場；計(jì)算了不考慮電磁力情況下焦耳熱效應(yīng)導(dǎo)致復(fù)合材料熱膨脹從而引起層合板的應(yīng)力場和位移場，并將其與計(jì)及電磁力和焦耳熱效應(yīng)兩個(gè)物理量引起層合板的應(yīng)力和位移進(jìn)行了對(duì)比；發(fā)現(xiàn)可以忽略雷電環(huán)境下電磁力對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響。
　　4.基于復(fù)合材料彈性本構(gòu)模型及其彈塑性失效模型和高爆炸藥材料模型建立了雷電環(huán)境下復(fù)合材料非線性動(dòng)力學(xué)模型；構(gòu)建了基于電-熱耦合分析和汽化反沖分析的綜合分析方法，對(duì)雷電流直接效應(yīng)引起的復(fù)合材料層合板動(dòng)態(tài)損

5、傷行為進(jìn)行了分析。從復(fù)合材料雷擊損傷定性分析角度來看，綜合分析結(jié)果與雷擊試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，表明所建立的非線性動(dòng)力學(xué)模型和綜合分析方法可以用于雷擊引起的復(fù)合材料汽化反沖分析。
　　5.基于 Hashin準(zhǔn)則和粘性正則化方法編譯了復(fù)合材料三維漸進(jìn)損傷子程序，采用全程分析方法對(duì)典型復(fù)合材料加筋壁板雷擊后的軸向壓縮穩(wěn)定性及其剩余強(qiáng)度進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。數(shù)值方法得到的含雷擊損傷加筋壁板失穩(wěn)情況和剩余強(qiáng)度與試驗(yàn)結(jié)果間誤差較小，但因未考慮內(nèi)部損傷致