铺设雷电金属网的CFRP层合板雷击损伤研究

铺设雷电金属网的CFRP层合板雷击损伤研究

张英杰王维李雪

中国航发商用航空发动机有限责任公司,上海200241)

摘要:雷电是一种对航空器安全飞行产生极大威胁的自然现象。航空领域常用碳纤维增强复合材料（CFRP)表面覆盖金属网作为雷击防护方案。铺设金属网的CFRP材料表面电流和温度分布这一多物理场问题对于评判雷击防护方案有效性十分重要。现对铺设金属网的CFRP材料雷击损伤进行电热耦合有限元仿真研究,用各向异性参数建立等效模型,并将等效模型计算结果与试验结果进行对比。结果表明,所用的等效仿真方法可以有效反映各规格金属网的烧蚀程度,仿真结果可为雷电防护方案设计提供指导。

关键词:碳纤维增强复合材料:雷击防护:电热耦合:有限元模型

0引言

雷电是航空飞行器在大气层中飞行时经常遇到的一种自然现象,雷电的电压可达上百千伏,峰值电流可达200kA,其巨大的能量对于航空飞行器的安全飞行产生极大威胁。CFRP材料具有强度高、比重小、耐腐蚀性好、抗疲劳性能好等优点,近年来CFRP材料被越来越多地应用于航空领域,以满足减少重量等需求。但是,CFRP材料与金属材料相比,其导电性能差,被雷电击中时会产生严重的熔蚀和烧伤等损伤。因此,CFRP材料的雷击防护是航空领域备受关注的工程问题。

国内外此前的仿真研究多关注于无防护CFRP材料自身的损伤,对于铺设雷电金属网的CFRP材料遭受雷击后的电流和温度分布的研究较少。

本文提出了一种对铺设雷电金属网的CFRP层合板进行等效建模的仿真方案,利用CОMSОL软件建立有限元模型,研究CFRP层合板表面电流和温度分布规律,并通过雷击试验样品,对仿真计算的雷击损伤结果进行验证,结果证明试验结果和仿真结果具有较好的一致性。

1电热耦合方程

在进行雷电流对铺设金属网的CFRP层合板热损伤研究时,热量的产生符合焦耳热定律,应用的电学方程为:

雷电流的输入来自于标准SAEARP5412A中的电流A分量,其理论表达式为:

雷电流因焦耳定律会产生的热量:

温度分布符合方程:

其中,热传导过程符合傅里叶传导定律:

同时,金属材料电阻率为线性电阻率,受温度影响:

式中,γ0为参考温度7ref下的参考电阻率。

2有限元仿真建模

对于雷电流传导过程的有限元建模,难点之一在于对金属网材料的建模。由于金属网的单元格尺寸与被防护面积尺寸之间差异极大,精细建模对于计算机硬件设备的要求极高,难以满足工程需要。因此,需要对金属网模型进行简化,且简化时又不应改变金属网上电-热传导的各向异性特征。

2.1材料特性分析

雷电金属网由延展铜箔切割出孔洞并压制到一定厚度制成。金属网按单位表面积的克重进行分类,如195g、120g等。本文研究的195g金属网单元格尺寸如图1所示。

为研究梗丝内部的趋肤效应是否明显,建立梗丝宽×金属网厚度×100mm的长方体模型,注入雷电流波形。仿真结果表明,梗丝截面中心电流密度衰减为表面的83%,远大于1/e（约37%)。综上,金属网梗丝内基本不体现趋肤效应。等效建模时将铺设于CFRP层合板上的金属网等效为一个长方体。

由于金属网单元格呈菱形,有长菱边和短菱边之分,可见沿长菱边方向的电导率应大于短菱边方向。导热系数同理。因此,将金属网一体化等效时,应采用各向异性参数来表征其沿长、短菱边不同的物理特性。

综上,电导率σeq/（S/m)为:

其中,各方向电导率采用试验测量确定。

等效导热系数geq/[w/（m·K)]为:

等效导热系数的试验测量较为困难,但易于通过仿真软件精细建模计算得出,计算公式如下:

假设金属网孔隙处为空气,金属为铜,铜的体积分数为α,则等效恒压热容Cp,eq为:

式中,Cp为模型中相应节点处材料的恒压热容,peq为等效密度。

由于碳纤维铺设方向不同,CFRP材料各方向的导热系数和电导率同样呈各向异性。本文仿真使用过的电导率参数同样由试验测量确定,而热性能参数见文献。

2.2模型设计

本文研究对象为500mmx500mm×3mm的CFRP层合板,表面铺设有0.075mm厚的金属网。建模时将CFRP和金属网按实际尺寸建模。上表面正中为电流注入点,金属网的一侧接地,其余边界设置为电绝缘和热绝缘。剖分使用棱柱型网格。金属网表面采用三角形网格剖分,厚度方向采用上表面网格的扫掠。由于CFRP层合板和金属网的电导率、导热系数差异较大,分界面处的网格适度加密。网格边长最小可达0.01mm,铜网模型中最大边长不超过5mm。

3雷电损伤机理

将垂直于金属网单元格长菱边方向的侧边接地方式称为长边接地,仿真对象按接地方式可分为长边接地和短边接地。按金属网克重又可分为73g、120g和195g。对以上6类样品进行时域仿真。

3.1雷电流分布

对以上6类样品进行时域仿真,仿真结果如图2所示。

由仿真结果可以看出:

(1）各类样品电流扩散趋势有一致的规律性,朝向接地方式一侧,电流扩散明显:背离接地方向一侧,电流扩散受到抑制,同时单元格长菱边方向电流扩散趋势明显强于短菱边方向。

(2）对比长边接地和短边接地可以看出,高电流密度区域的等值线,在短菱边侧出现凹陷。同时,长边接地样品中,在注入点和接地边之间的区域电流密度更高。短边接地样品中,注入点和接地边之间的区域,电流衰减更快,接地边中心区域的电流密度低于长边接地,但接地边两侧的电流密度高于长边接地。

(3）对比不同克重的金属网样品,由于克重较小的金属网梗丝截面积更小,电流输入相同时,克重越小,梗丝上的电流密度越高。可见195g、120g、73g样品的高电流密度区域的面积依次增大,120g样品与195g样品的电流密度分布较为相似,73g样品与195g样品相比有一定区别,73g样品电流扩散趋势更加明显。

3.2温度分布

以铜熔点1083℃作为烧蚀判据,将金属网表面温度高于1083℃的区域绘为空白,选取以上6类样品进行仿真,仿真结果如图3所示。

根据仿真结果,可以看出:

(1）温度分布和电流密度分布有较高的相似性,注入点处温度较高,并朝向接地侧衰减。长边接地时的衰减效果优于短边接地。但是温度分布中,高温区域未扩散到接地边沿时,高温区域的等温线为椭圆形,未出现凹陷形状,这一点异于电流密度分布。

(2）对比长边接地和短边接地可以看出,短边接地时,接地边邻近区域的温度更高:长边接地时,接地边中点温度较高:短边接地时,接地边上的温度分布较为均匀,但整体较高。

(3）对比不同克重的金属网样品可以看出,73g样品和120g样品在短边接地时烧蚀区域扩散趋势明显,73g样品在500mm×500mm范围内烧蚀区域已发生扩散,烧蚀面积明显大于同克重的长边接地方式。

4试验验证

仿真结果和试验结果对比如图4所示,试验照片中黑色菱形记号的长边方向为单元网格的长菱边方向。

图4仿真结果与试验结果对比

从图4可以看出,电流注入点附近烧蚀区域最为明显,有大面积的漆膜熔化和梗丝熔断。而注入点和接地侧之间的区域内,有较大面积的点状破坏区域。刮开表面漆膜后可见梗丝局部熔断。这是由于注入点周围的梗丝处因截面积小于节点处截面积,形成梗丝处局部过热。出现梗丝局部熔断的区域与仿真结果中的高温区域相同,表明仿真结果可以真实表现出烧蚀区域的扩散趋势。

汇总典型样品损伤区域尺寸如图5所示,可以看出,克重较低的金属网相比克重高的金属网,烧蚀情况更为严重。仿真结果的烧蚀区尺寸与试验结果之间有较好的一致性。

5结论

(1）本文通过各向异性等效参数对铺设铜网的CFRP层合板进行等效建模,对电流密度和温度分布进行有限元仿真分析,并将分析结果与试验结果进行对比。结果表明,等效建模方案与试验结果的一致性较好,可以真实反映金属网的雷击烧蚀区域的尺寸和加重趋势。

(2）金属网的电流密度分布和温度分布有较高的相似性。注入点周围的电流密度和温度较高,向接地方向衰减,长菱边方向的衰减趋势要强于短菱边方向。

(3）单位面积克重较高的金属网防护效果优于低克重金属网。防护区域较窄时,通流能力不足的金属网表面烧蚀区域会出现显著扩散,并且同克重的金属网,长边接地的防护效果优于短边接地。