民用航空飛機(jī)短艙系統(tǒng)雷電直接效應(yīng)仿真分析方法探析

引言

民用航空飛機(jī)近年來(lái)大量使用復(fù)合材料作為其機(jī)身主體材料,在不斷降低機(jī)身重量及提升結(jié)構(gòu)性能的同時(shí),給復(fù)合材料機(jī)體結(jié)構(gòu)雷電直接效應(yīng)防護(hù)的設(shè)計(jì)及驗(yàn)證問題帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)/11,尤其像動(dòng)力裝置短艙這類復(fù)雜系統(tǒng),由于其復(fù)合材料結(jié)構(gòu)特征多,如果單純依靠試驗(yàn)手段進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化及驗(yàn)證,需要針對(duì)每個(gè)階段的設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行大量的復(fù)合材料平板級(jí)試驗(yàn),成本巨大。針對(duì)這種情況,在研制初期的設(shè)計(jì)迭代階段,國(guó)內(nèi)外目前廣泛采用雷電直接效應(yīng)仿真分析的手段對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化及驗(yàn)證工作。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外主流思想,形成了一整套以仿真分析為主的雷電直接效應(yīng)防護(hù)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證方案,可以極大地降低研發(fā)和驗(yàn)證成本。

1仿真工作的開展

1.1確定仿真對(duì)象

復(fù)雜系統(tǒng)雷電直接效應(yīng)仿真對(duì)象分為兩類,即整體系統(tǒng)的雷電路徑簡(jiǎn)化模型和特征結(jié)構(gòu)。特征結(jié)構(gòu)選取原則與試驗(yàn)一致,包含特征板件、特征結(jié)構(gòu)、特征搭接、特征失效模式等。

1.2建立仿真模型

1.2.1復(fù)雜系統(tǒng)整體簡(jiǎn)化仿真建模

復(fù)雜系統(tǒng)整體簡(jiǎn)化仿真模型為雷電流傳導(dǎo)模型,最主要的是根據(jù)雷電分區(qū)結(jié)合復(fù)雜系統(tǒng)在飛機(jī)的位置,確定雷電出點(diǎn)和入點(diǎn),形成電流傳導(dǎo)的回路/21。

雷電出入點(diǎn)選取原則:

（1）所選取的出入點(diǎn)形成的雷電分布可以考察到系統(tǒng)所有區(qū)域:（2）所選取的出入點(diǎn)形成的雷電威脅最嚴(yán)酷。

1.2.2特征結(jié)構(gòu)仿真建模

特征結(jié)構(gòu)需要建立電流傳導(dǎo)模型和電流引弧模型,其模型設(shè)置與試驗(yàn)一致,可以參考試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)/3-41。1區(qū)和2區(qū)選取的

特征結(jié)構(gòu)需要建立雷電電流引弧模型,3區(qū)和系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)建立電流傳導(dǎo)模型。

1.3本征材料參數(shù)測(cè)量

在仿真計(jì)算中,材料參數(shù)至關(guān)重要,材料參數(shù)是否合理將直接決定仿真求解的準(zhǔn)確性。雷電直接效應(yīng)問題求解的關(guān)鍵材料參數(shù)主要有材料的本征電導(dǎo)率、熱傳導(dǎo)系數(shù)和熱容等。本文給出了金屬網(wǎng)及復(fù)合材料電導(dǎo)率測(cè)量方法,其他材料參數(shù)可以經(jīng)過專業(yè)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)量,或者引用權(quán)威測(cè)量實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù),在仿真過程中結(jié)合實(shí)際進(jìn)行校準(zhǔn)。

1.3.1金屬網(wǎng)各向異性電導(dǎo)率測(cè)量方法及原理

金屬網(wǎng)在仿真計(jì)算時(shí),結(jié)構(gòu)精細(xì)復(fù)雜,有限元建模難度大,往往將金屬網(wǎng)等效成平板層。此時(shí)等效的金屬層的本征電導(dǎo)率就需要通過計(jì)算或測(cè)量得到。由于金屬網(wǎng)的生產(chǎn)工藝對(duì)其導(dǎo)電性影響很大,因此本文建議應(yīng)用測(cè)量的方法來(lái)獲得材料的本征各向異性電導(dǎo)率。

金屬網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特性導(dǎo)致其電導(dǎo)率具有各向異性,因此在測(cè)量時(shí)需要測(cè)量x、Y、Z3個(gè)方向的電導(dǎo)率,即σxx、σyy、σzz,并設(shè)計(jì)有針對(duì)性的測(cè)量方法。

1.3.1.1σxx、σyy的測(cè)量方法

對(duì)于σxx、σyy的測(cè)量,樣品制作需考慮電流的均勻傳播及測(cè)試誤差。建議制作多個(gè)具有較大長(zhǎng)寬比的矩形試件,分別進(jìn)行測(cè)量。

1.3.1.2σzz的測(cè)試方法

金屬銅網(wǎng)厚度方向的電導(dǎo)率σzz的測(cè)試較困難,需要通過正負(fù)兩個(gè)電極將電流注入材料內(nèi)部,此時(shí)這三部分電阻在電路中串聯(lián)。一般情況下,金屬銅網(wǎng)的電導(dǎo)率在107s!m量級(jí),其電阻率非常小,則測(cè)量電極的電阻對(duì)總電阻影響較大,測(cè)出的電阻與金屬銅網(wǎng)的真實(shí)電阻相差較大,由此計(jì)算出的電導(dǎo)率誤差也將會(huì)較大。

對(duì)于金屬銅網(wǎng)材料,最終測(cè)量結(jié)果為:

EQ \* jc3 \* hps8 \o\al(\s\up 2(gxx00EQ \* jc3 \* hps8 \o\al(\s\up 2(

I│

g=0gyy0s/m

EQ \* jc3 \* hps8 \o\al(\s\up 3(00gzzEQ \* jc3 \* hps8 \o\al(\s\up 3(

1.3.2復(fù)合材料各向異性電導(dǎo)率測(cè)量方法及原理

在復(fù)雜工程仿真計(jì)算中,對(duì)系統(tǒng)中的復(fù)合材料進(jìn)行纖維層式的建模方式基本不可能實(shí)現(xiàn),因此在仿真計(jì)算中將復(fù)合材料進(jìn)行等效建模,需要測(cè)定復(fù)合材料的宏觀各向異性電導(dǎo)率。將復(fù)合材料沿纖維方向設(shè)為X方向,垂直于纖維方向設(shè)為y方向,厚度方向設(shè)為Z方向。由于復(fù)合材料具有各向異性,需要測(cè)量X、y、Z3個(gè)方向的電導(dǎo)率,加之材料的結(jié)構(gòu)屬性,設(shè)計(jì)的有針對(duì)性的測(cè)試方法如下:

1.3.2.1gxx、gyy的測(cè)試方法

目前主流測(cè)試方法主要參考中國(guó)航天工業(yè)總公司航天工業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),其測(cè)試原理為雙探針法測(cè)試,測(cè)試方法基于歐姆定律?？紤]到該類CFRP材料在X方向和y方向厚度相同,且電流均沿著試件長(zhǎng)邊傳播,因此測(cè)試方法相同。

本文提供一種能較好地測(cè)量各向異性復(fù)合材料電導(dǎo)率的測(cè)試方法,具體如下:制作正方形(長(zhǎng)方形亦可）樣件,使用兩個(gè)金屬電極夾在復(fù)合材料兩側(cè),用高精度的電阻測(cè)試儀器測(cè)試電阻。使用金屬電極時(shí)應(yīng)對(duì)CFRP材料兩端進(jìn)行打磨,使得碳纖維完全露出來(lái),用導(dǎo)電膠將金屬電極與其相連,并使用壓力夾將電極夾住,保證電極與CFRP材料充分接觸。

測(cè)試方案等效于串聯(lián)電路,其測(cè)試電阻與金屬電極和CFRP材料電阻之間的關(guān)系為:

式中,R為兆歐表所測(cè)得的電阻:R1為左邊金屬電極的電阻:R2為CFRP試件的電阻:R3為右邊金屬電極的電阻。

故CFRP材料電阻為:

CFRP材料電阻率為:

因此,CFRP材料電導(dǎo)率為:

1.3.2.2gzz的測(cè)試方法

CFRP材料厚度方向的電導(dǎo)率gzz測(cè)試較困難,需要通過正負(fù)兩個(gè)電極將電流注入材料內(nèi)部,此時(shí)這三部分電阻在電路中串聯(lián)。其中R1為左邊金屬電極的電阻,R2為CFRP試件的電阻,R3為右邊金屬電極的電阻,R為兆歐表所測(cè)得的電阻,各電阻同樣符合式(1）的關(guān)系。在使用金屬電極時(shí),應(yīng)將CFRP材料上下表面進(jìn)行打磨,使得碳纖維完全露出來(lái),用導(dǎo)電膠將金屬電極與其相連,并使用壓力夾將電極夾住,保證電極與CFRP材料充分接觸。金屬電極尺寸應(yīng)大于或等于CFRP試件的尺寸,保證電流在CFRP試件上傳播均勻。

通過直流電阻儀測(cè)得電阻R,由式(2）求得CFRP材料的電阻R2,通過式(3）(4）分別求出電阻率pzz和電導(dǎo)率gzz。

無(wú)論測(cè)量什么方向的電導(dǎo)率,都需考慮測(cè)試誤差,建議制作多個(gè)CFRP材料試件,分別進(jìn)行測(cè)試,并記錄測(cè)量的電阻值,計(jì)算出電阻率p,求出平均電阻率后再求電導(dǎo)率g。

對(duì)于CFRP材料,最終測(cè)量結(jié)果為:

1.4模型網(wǎng)格設(shè)計(jì)

在模型建立時(shí)全部使用設(shè)計(jì)尺寸,材料加載按實(shí)際測(cè)量為準(zhǔn)。在仿真時(shí)主體保持設(shè)計(jì)的原有尺寸,必要情況下有些電性能弱的部位需要做精簡(jiǎn)處理,根據(jù)實(shí)際情況而定。對(duì)于三維電磁數(shù)值仿真,選用穩(wěn)定性較好的自由四面體為基本網(wǎng)格單元。

2計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性分析

仿真計(jì)算求解出的結(jié)果需要初步判斷計(jì)算本身的準(zhǔn)確性(主要考慮算法的準(zhǔn)確性）:

(1）計(jì)算出的結(jié)果是否符合物理規(guī)律:(2）計(jì)算出的結(jié)果是否和加載材料的規(guī)律一致:(3）計(jì)算出的結(jié)果是否和預(yù)想的邊界條件一致:(4）計(jì)算出的結(jié)果有沒有局部畸變求解,是否對(duì)整體結(jié)果有影響等。

3仿真結(jié)果分析

在確定仿真計(jì)算本身準(zhǔn)確后,就可以對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析,雷電路徑需要分析其電流分布和電流密度積分,熱損傷、熱斑點(diǎn)需要分析其溫度分布,力損傷需要分析其受力分布,擊穿電壓需要分析其電場(chǎng)分布以及應(yīng)用電場(chǎng)積分的電壓、空間環(huán)境可以分析電磁場(chǎng)。

4結(jié)語(yǔ)

相比于試驗(yàn),仿真在可實(shí)施性與成本等方面有很大優(yōu)勢(shì)。對(duì)于短艙系統(tǒng)這類由多復(fù)合材料制成的復(fù)雜系統(tǒng)雷電直接效應(yīng)防護(hù)問題,形成一套可靠的仿真分析方法對(duì)于型號(hào)研制起到了至關(guān)重要的作用。本文以仿真分析為主的雷電直接效應(yīng)防護(hù)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證思路,可為相關(guān)研究及工程項(xiàng)目實(shí)施提供參考。