碳纤维增强树脂复合材料在多重连续雷电流冲击下的损伤特性

通过对比碳纤维增强树脂复合材料（CF/EP）层合板在单一雷电流脉冲及不同组合及时序的多重雷电流分量作用下的雷击损伤特性,探索多重连续雷电流分量在CF/EP层合板上的散流过程与作用机制。研究发现CF/EP层合板在雷电流脉冲作用下出现纤维断裂、烧蚀、树脂热解、铺层分离等严重雷击损伤。在雷电流A、B、C及D分量连续作用下,CF/EP损伤面积达到2 790 mm2,损伤深度约1.28 mm。在多重连续雷电流脉冲作用下,CF/EP的雷电损伤深度主要与雷电流A、B及D分量的冲击力效应及介质击穿效应有关,而持续时间长、转移电荷量大的雷电流C分量的热效应对损伤面积的贡献接近40%。CF/EP层合板雷击损伤特性与雷电流分量的组合及作用时序关系密切,雷电流分量单独作用时造成的CF/EP雷击损伤效果与处于多重连续脉冲序列中时所造成的雷击损伤效果有很大差异。对CF/EP在多重连续雷电流作用下损伤效应的研究能够加深对雷电作用过程的理解,并为CF/EP雷电直接效应机制研究及试验方法的建立及完善提供实验和理论依据。      

碳纤维增强银粉改性树脂复合材料的雷击损伤效应

针对碳纤维增强树脂(CFRP)复合材料中树脂电阻大,在雷电流作用下会产生大量焦耳热造成雷击损伤的短板,探索通过增强基体的导电性来解决这一问题。为实现对CFRP复合材料的改性,在其环氧树脂浆料中加入了以Ag粉为主的导电填料,使改性CFRP复合材料层合板沿厚度方向的电导率提高217.30倍。采用不同峰值的单一雷电流D分量分别对改性及未改性CFRP复合材料层合板试件进行雷击损伤实验,通过损伤区域超声C扫描图像、试件残余温度场和仿真热解损伤的对比,分析基体改性对CFRP复合材料雷击损伤的防护机制。结果表明:通过Ag粉改性能有效提高CFRP复合材料层合板的电导率,且在厚度方向上的改性效果最佳;在峰值电流分别为20 kA、40 kA和60 kA的条件下,改性CFRP复合材料层合板的损伤面积分别下降87.28%、77.82%和88.59%,损伤深度分别增加147.06%、130.65%和119.72%;以损伤体积为最终指标,则Ag粉改性基体能有效降低CFRP复合材料的雷击损伤,其防护机制是通过减少雷电流作用下的高温区域面积和升温幅度来降低热解和爆炸冲击实现。      

复合材料雷击放电效应三维数值模拟

建立长空气间隙及复合材料层合板三维有限元模型,采用棒-板长间隙正极性流注生长概率模型为基于经典流注理论的随机放电模型。计算空气间隙区域内各网格点电位,列出电极周围所有流注待发展路径,计算每条流注待发展路径的生长时间,确定具有最小生长时间路径为优先选择路径。流注到达复合材料层合板后选流注与板交叉点作为雷击附着点进行复合材料层合板雷击直接效应分析,获得复合材料层合板在雷电压作用下电势、温度及热应力分布。计算结果表明,流注瞬间产生的高电势、温度及热应力主要沿顶层电导率最大方向对称扩展,所研究的初步结果可作为定性描述;为准确模拟复合材料的雷击放电效应过程,需进一步考虑复合材料的雷击烧蚀及热力学等破坏机理。     

复合材料层合板冲击后压-压疲劳寿命预测方法

针对冲击后复合材料层合板, 发展了含冲击初始损伤层合板的压-压疲劳寿命预测方法。该方法基于无损单向板的力学性能和疲劳特性, 对不同铺层参数、 不同几何尺寸以及不同冲击条件下层合板的疲劳寿命进行预测。为消除人为假设冲击损伤造成的误差, 对层合板在冲击载荷及冲击后疲劳载荷作用下的破坏进行全程分析, 即把冲击后层合板的实际损伤状态直接作为疲劳分析的初始状态。同时基于逐渐损伤思想, 推导了含冲击初始损伤层合板的应力分析过程, 建立了相应的三维逐渐累积损伤模型, 开发了参数化的复合材料层合结构冲击及冲击后疲劳破坏模拟程序, 为复合材料层合结构的抗冲击设计及其疲劳损伤扩展行为研究提供了较好的技术平台。      

含紧固件复合材料层压板结构雷击烧蚀损伤特征分析

为了对含紧固件复合材料层压板的雷击烧蚀损伤特征进行分析,根据雷击过程中的能量平衡关系,建立了含紧固件复合材料层压板结构雷击烧蚀损伤数学分析模型。基于该分析模型,在ABAQUS中建立了含紧固件复合材料层压板结构雷击烧蚀损伤分析三维有限元模型,并对不同电势边界条件下的雷击烧蚀损伤进行了分析。分析结果表明:由于金属紧固件的存在,雷电流可以通过紧固件沿层压板结构厚度方向传导,然后在各铺层内进行电流分配,各方向铺层传导雷电流的能力与该层电势梯度方向和电势梯度方向的电导率有关;在不同的电势边界条件下,各层的电势分布有所差异,从而导致了各铺层传导雷电流能力的不同,最终引起不同的雷击烧蚀损伤分布。通过本文的研究,能够对含紧固件复合材料层压板结构的雷击烧蚀损伤特征有定性的认识。     

三维复合材料层合板渐进损伤非线性分析模型

为有效反映复合材料层合板层间相互作用和材料损伤非线性,建立了中等尺度的三维复合材料层合板渐进损伤分析模型。非线性渐进损伤分析过程包括应力求解、材料损伤失效判据及材料性能退化方案3个方面。讨论了损伤材料性能退化方案,引入与材料损伤模式相对应的损伤变量表征材料点的损伤状态,材料的刚度矩阵按损伤变量退化。基于该模型可成功预测复合材料层合板损伤起始、扩展直至最终失效的整个过程和极限强度。经文献试验数据验证,12种不同铺层顺序层合板的计算强度与试验数据均吻合较好,表明该模型在复合材料层合板极限强度预测上的有效性。     

剪切载荷作用下复合材料挖补修理层合板试验及有限元分析

为了确定剪切载荷作用下含非穿透损伤复合材料挖补修理层合板的破坏模式和抗剪切能力,进行了复合材料挖补修理层合板的剪切试验,并与未损伤复合材料层合板进行对比。试验结果表明,复合材料挖补修理后的层合板具有较高的强度恢复率,且不影响层合板的后屈曲承载能力。同时,建立了剪切载荷作用下复合材料挖补修理层合板的有限元分析（FEA）模型,复合材料母板和补片采用了三维Hashin准则来判定材料失效,母板层与层之间采用零厚度界面单元以有效模拟剪切载荷作用下复合材料母板上、下子板之间的分层。该模型得到的破坏模式与试验结果基本相符。由于挖补修理的设计与工艺复杂性,理论模拟的破坏载荷与试验结果虽不能完全吻合,但其最大15%左右的差异能够满足修理设计的需要。以上结果说明,该模型对剪切载荷作用下复合材料挖补修理层合板的破坏模式和破坏载荷能够进行工程适用的预测。     

复合材料层合板胶接贴补修理渐进损伤分析

建立了复合材料层合板胶接贴补修理构型渐进损伤分析的三维有限元模型, 其中层合板和胶层分别采用正交各向异性损伤和各向同性损伤的连续介质损伤力学模型, 整个分析过程中同时考虑层合板和胶层的损伤形成和扩展以及它们之间的相互影响, 单向压缩载荷作用下的层合板贴补修理构型的试验数据验证了该模型的有效性, 采用该模型分析了不同的贴补修理参数对修补强度的影响。 结果表明: 当层合板补片较薄时, 补片损伤是导致修补结构失效的主要原因; 当补片较厚时, 胶层失效是导致修补结构失效的主要原因, 此时补片厚度增加并不能显著增大修补结构的极限强度。在复合材料贴补修理时需要对补片和胶层进行详细优化设计。      

复合材料层合板多钉连接结构累积损伤过程可视化仿真模拟

建立了分析复合材料层合板多钉连接结构的三维有限元模型, 考虑了接触状态非线性和累积损伤过程非线性的影响, 运用ANSYS 中的APDL 编制程序实现了对复合材料层合板机械连接结构整个承载过程的可视化仿真模拟, 同时进行了T300/ Q Y9512 复合材料层合板多钉单剪拉伸试验。结果表明, 在一定几何尺寸下, 复合材料层合板多钉连接结构钉载分配的不均匀性在整个承载过程中并无明显改善。根据本文中提出的累积损伤模型对各孔位变形进行了计算, 计算结果与试验结果吻合较好。从累积损伤过程的仿真结果可以明显看出, 不同几何尺寸的多钉连接结构中各钉孔附近损伤的起始和发展过程具有明显的区别。优化设计结果表明, 不同钉孔处层合板厚度的改变对各钉钉载分配无明显影响, 但孔边法向和切向应力大小和分布均受到严重影响, 对整个多钉连接结构的损伤程度产生很大变化。      

复合材料单钉接头疲劳累积损伤破坏分析

基于时间增量原理 , 推导了层合板接头疲劳加载累积损伤应力2应变分析的虚功方程。同时 , 引入Hashin三维疲劳失效准则进行材料的损伤判定 , 并结合建立的疲劳加载材料退化模型、 4种基本损伤机制相互关联作用的材料性能退化方法及复合材料接头最终失效判据 , 建立了层合板接头疲劳载荷作用下三维累积损伤分析的寿命预测方法。最后 , 对层合板接头拉2拉疲劳载荷作用下的损伤累积扩展与失效规律进行了仿真分析 , 并与试验结果进行了对比 , 结果表明 : 本文中建立的寿命预测方法能够很好地预测层合板接头的寿命以及损伤发生、扩展及最终失效。      

含紧固件复合材料层压板雷击后损伤及力学性能退化试验

以含金属紧固件编织结构碳纤维/环氧树脂复合材料层压板为研究对象,通过人工模拟雷电流试验,并结合目视观察、超声损伤扫描、微米X射线三维成像及高倍显微镜等损伤检测手段,对其在雷电流直接效应作用下的损伤模式、机制及特征进行了分析,同时,采用材料力学性能试验系统,对其雷击后的静拉伸承载能力退化程度进行了评估。研究结果表明：由金属紧固件引起的"雷电流分散效应"导致含紧固件复合材料层压板雷击损伤以分层损伤为主,且损伤沿层压板整个厚度方向分布;雷击损伤的产生存在一个雷电流强度门槛值,当雷电流强度小于该值时,层压板不会出现损伤;紧固孔周围的雷击损伤在静拉伸过程中会产生"应力分散效应",导致含紧固件层压板静拉伸承载能力随雷击峰值电流的增加先提高后下降。     

含雷击热-力耦合损伤复合材料层压板拉伸剩余强度预测

为了对含雷击热-力耦合损伤复合材料层压板的剩余强度进行预测,基于连续介质损伤力学法(CDM)和唯象分析法,建立了表征复合材料雷击热-力耦合损伤的刚度矩阵渐进损伤退化模型。基于该模型,通过ABAQUS有限元仿真软件,建立了含雷击热-力耦合损伤的复合材料层压板结构三维模型。结合UMAT子程序,完成了拉伸载荷下的剩余强度预测。结果表明:通过与试验对比,仿真结果与试验结果取得了良好的一致性。本文所建立模型,能够有效进行含雷击热-力耦合损伤复合材料层压板结构拉伸剩余强度预测。     

三维编织复合材料损伤容限性能试验

为研究三维编织复合材料的损伤容限性能,首先,利用同种纤维、基体和工艺分别制作了4种三维编织复合材料和1种层合复合材料;然后,进行了相同复合材料在不同冲击能量下的及不同复合材料在相同冲击能量下的低速冲击试验和冲击后压缩试验;最后,进行了冲击后的C扫描损伤检测,并对比了冲击后凹坑深度、损伤面积和损伤宽度。结果显示:层合复合材料的损伤形貌主要呈椭圆状,且分层损伤严重,而三维编织复合材料的损伤形貌主要呈十字状,三维编织复合材料的整体性较好;层合复合材料和三维编织复合材料冲击能量的拐点均出现在30 J附近;三维编织复合材料的剩余压缩强度较高,其损伤容限性能优于层合复合材料。所得结论可为三维编织复合材料的工程应用提供指导。      

Lightning Strike Ablation Damage Characteristic Analysis for Carbon Fiber/Epoxy Composite Laminate with Fastener

In order to analyze the lightning strike ablation damage characteristic of composite laminate with fastener, based on the energy-balance relationship in lightning strike, mathematical analysis model of ablation damage of composite laminate with fastener was constructed. According to the model, an effective three dimensional thermal-electrical coupling analysis finite element model of composite laminate with fastener suffered from lightning current was established based on ABAQUS, and lightning strike ablation damage characteristic was analyzed. Analytical results reveal that lightning current could conduct through the thickness direction of the laminate due to the existence of metallic fastener, and then distribute to all layers, finally conducted in-the-plane of each layer, conductive ability of different layup orientations depend on potential distribution and in-the-plane electrical conductivity along potential gradient declining direction; different potential boundaries correspond to different potential distribution in each layer, and result in conductive ability of different layup orientations was changed, then caused different lightning strike ablation damage distribution. According to the investigation in this paper, we can recognize the lightning strike ablation damage characteristic of composite laminate with fastener qualitatively.     

雷电流组合波形下碳纤维/环氧树脂基复合材料层压板雷击损伤试验

为了评估碳纤维/环氧树脂基复合材料位于不同飞机雷击分区下的雷击损伤程度及损伤特征,采用A+B、D+B+C和A+B+C+D 3种不同的雷电流波形组合,对两类不同尺寸复合材料层压板试验件（Type1和Type2）进行了模拟雷电流冲击试验,通过目视损伤观察和超声损伤扫描,分析评估了复合材料位于飞机1A区、2A区及1B区时的雷击损伤程度及特征,同时还对含铜网防护碳纤维/环氧树脂基复合材料层压板在不同雷击分区下的雷击防护效果进行了评估。结果表明：不同雷击分区下,碳纤维/环氧树脂基复合材料在雷电流作用下的损伤模式基本一致,包括纤维断裂、基体烧蚀及分层损伤;对于相同类型试验件,1B区对应雷击损伤程度最严重,其次为2A区,1A区损伤程度最小;在相同雷击分区下,长宽比较小的Type1型试验件雷击损伤程度大于长宽比较大的Type2型试验件;0.25 mm厚铜网能够有效对碳纤维/环氧树脂基复合材料进行雷击防护,位于1A区、2A区及1B区的含防护与无防护Type2型试件,前者雷击损伤程度较后者分别下降88.9%、53.9%和68.7%。     

Lightning Strike Ablation Damage Influence Factors Analysis of Carbon Fiber/Epoxy Composite Based on Coupled Electrical-Thermal Simulation

According to the mathematical analysis model constructed on the basis of energy-balance relationship in lightning strike, and accompany with the simplified calculation strategy of composite resin pyrolysis degree dependent electrical conductivity, an effective three dimensional thermal-electrical coupling analysis finite element model of composite laminate suffered from lightning current was established based on ABAQUS, to elucidate the effects of lighting current waveform parameters and thermal/electrical properties of composite laminate on the extent of ablation damage. Simulated predictions agree well with the composite lightning strike directed effect experimental data, illustrating the potential accuracy of the constructed model. The analytical results revealed that extent of composite lightning strike ablation damage can be characterized by action integral validly, there exist remarkable power function relationships between action integral and visual damage area, projected damage area, maximum damage depth and damage volume of ablation damage, and enhancing the electrical conductivity and specific heat of composite, ablation damage will be descended obviously, power function relationships also exist between electrical conductivity, specific heat and ablation damage, however, the impact of thermal conductivity on the extent of ablation damage is not notable. The conclusions obtained provide some guidance for composite anti-lightning strike structure-function integration design.     

缝合复合材料层板低速冲击损伤数值模拟

建立了缝合复合材料层板在低速冲击载荷下的渐进损伤分析模型。模型中采用空间杆单元模拟缝线的作用;采用三维实体单元模拟缝合层板,通过基于应变描述的Hashin准则,结合相应的材料性能退化方案模拟层板的损伤和演化;采用界面单元模拟层间界面,结合传统的应力失效判据和断裂力学中的应变能释放率准则判断分层的起始和扩展规律。通过对碳800环氧树脂复合材料（T800/5228）层板的数值仿真结果和试验结果相比较,验证了模型的正确性,同时讨论了不同冲击能量下缝合层板的损伤规律。研究结果表明：缝线能够有效地抑制层板的分层损伤扩展;相同冲击能量下缝合与未缝合层板的基体损伤和纤维损伤在厚度分布上相似,缝合层板的损伤都要小于未缝合层板。     

不同防护形式复合材料板雷击损伤分区特性

基于A+B+C+D 4种标准雷电流波形的联合作用,开展了不同防护形式复合材料板雷击试验。考虑放电通道物理特性,分析放电通道与复合材料表面间的作用过程,将复合材料表面损伤区域分解成初始附着区、附着传导区、附着扩展区、二次附着区和扫掠损伤区,并对未防护基准件、局部喷铝、全喷铝防护件及铜网防护件4类板的各区域进行了损伤特性分析。结果表明:复合材料表面损伤是强电磁场条件下放电通道热电物理特性与复合材料表面热电特性及电荷分布的共同作用结果;复合材料表面铝层喷涂方式、厚度以及均匀程度均影响表面损伤的对称性和损伤分区特性;铜网防护造成复合材料板表面粗糙使得表面损伤分区复杂;表面电荷累积特性和分布的均匀程度直接影响二次附着区和扫掠损伤区的分布;复合材料表面雷击损伤包括纤维升华、断裂、起毛,基体炭化熔融、烧蚀,材料分层、剥落以及防护材料的熔融汽化和断裂等。分析结果可以用于复合材料雷击防护定性设计。     

复合材料层合板静态压痕与损伤行为

发展了层合复合材料面内及分层失效模型,模型考虑了横向压剪残余剪切变形和分层残余相对位移。提出一种块体单元包含若干铺层的模型,以减少复合材料逐层分析时的计算量。对一种碳纤/环氧层合复合材料进行了横向压痕试验,测量了不同压力下凹坑的深度,用超声C扫测得损伤面积。用发展的模型在ABAQUS平台上通过用户材料子程序UMAT模拟了上述试验,分析了试验曲线特征点对应的损伤机制,通过与试验结果的对比,验证了本文模型的合理性。