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,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)計及驗(yàn)證問題帶來了巨大挑戰(zhàn)/11,尤其像動力裝置短艙這類復(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)計優(yōu)化及驗(yàn)證,需要針對每個階段的設(shè)計結(jié)果進(jìn)行大量的復(fù)合材料平板級試驗(yàn),成本巨大。針對這種情況,在研制初期的設(shè)計迭代階段,國內(nèi)外目前廣泛采用雷電直接效應(yīng)仿真分析的手段對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化及驗(yàn)證工作。本文結(jié)合國內(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確定仿真對象

復(fù)雜系統(tǒng)雷電直接效應(yīng)仿真對象分為兩類,即整體系統(tǒng)的雷電路徑簡化模型和特征結(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)整體簡化仿真建模

復(fù)雜系統(tǒng)整體簡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)測量

在仿真計算中,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)行測量,或者引用權(quán)威測量實(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)率測量方法及原理

金屬網(wǎng)在仿真計算時,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。此時等效的金屬層的本征電導(dǎo)率就需要通過計算或測量得到。由于金屬網(wǎng)的生產(chǎn)工藝對其導(dǎo)電性影響很大,因此本文建議應(yīng)用測量的方法來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,因此在測量時需要測量x、Y、Z3個方向的電導(dǎo)率,即σxx、σyy、σzz,并設(shè)計有針對性的測量方法。

1.3.1.1σxx、σyy的測量方法

對于σxx、σyy的測量,樣品制作需考慮電流的均勻傳播及測試誤差。建議制作多個具有較大長寬比的矩形試件,分別進(jìn)行測量。

1.3.1.2σzz的測試方法

金屬銅網(wǎng)厚度方向的電導(dǎo)率σzz的測試較困難,需要通過正負(fù)兩個電極將電流注入材料內(nèi)部,此時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,其電阻率非常小,則測量電極的電阻對總電阻影響較大,測出的電阻與金屬銅網(wǎng)的真實(shí)電阻相差較大,由此計算出的電導(dǎo)率誤差也將會較大。

對于金屬銅網(wǎng)材料,最終測量結(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)率測量方法及原理

在復(fù)雜工程仿真計算中,對系統(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),因此在仿真計算中將復(fù)合材料進(jìn)行等效建模,需要測定復(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,需要測量X、y、Z3個方向的電導(dǎo)率,加之材料的結(jié)構(gòu)屬性,設(shè)計的有針對性的測試方法如下:

1.3.2.1gxx、gyy的測試方法

目前主流測試方法主要參考中國航天工業(yè)總公司航天工業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),其測試原理為雙探針法測試,測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邊傳播,因此測試方法相同。

本文提供一種能較好地測量各向異性復(fù)合材料電導(dǎo)率的測試方法,具體如下:制作正方形(長方形亦可）樣件,使用兩個金屬電極夾在復(fù)合材料兩側(cè),用高精度的電阻測試儀器測試電阻。使用金屬電極時應(yīng)對CFRP材料兩端進(jìn)行打磨,使得碳纖維完全露出來,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。

測試方案等效于串聯(lián)電路,其測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的測試方法

CFRP材料厚度方向的電導(dǎo)率gzz測試較困難,需要通過正負(fù)兩個電極將電流注入材料內(nèi)部,此時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,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,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。

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

對于CFRP材料,最終測量結(jié)果為:

1.4模型網(wǎng)格設(shè)計

在模型建立時全部使用設(shè)計尺寸,材料加載按實(shí)際測量為準(zhǔn)。在仿真時主體保持設(shè)計的原有尺寸,必要情況下有些電性能弱的部位需要做精簡處理,根據(jù)實(shí)際情況而定。對于三維電磁數(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計算結(jié)果準(zhǔn)確性分析

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

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

3仿真結(jié)果分析

在確定仿真計算本身準(zhǔn)確后,就可以對仿真結(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分布以及應(yīng)用電場積分的電壓、空間環(huán)境可以分析電磁場。

4結(jié)語

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。對于短艙系統(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于型號研制起到了至關(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)計及驗(yàn)證思路,可為相關(guān)研究及工程項目實(shí)施提供參考。