单一雷电流分量作用下碳纤维复合材料损伤仿真计算方法与流程

本发明属于碳纤维复合材料雷电损伤的仿真计算方法，特别涉及一种单一雷电流分量作用下碳纤维复合材料损伤仿真计算方法。

背景技术：

碳纤维复合材料既具有低密度、高强度、高模量、耐高温、耐化学腐蚀等特性，又具有纺织纤维的柔软可加工性，广泛应用于航空航天、军事及民用工业等各个领域。随着飞机设计的改进和碳纤维复合材料技术的进步，碳纤维增强型聚合物复合材料cfrp(carbonfiberreinforcedpolymers)在大型民用飞机、军用飞机、无人机及隐形飞机上的用量不断增长，从1960年麦道公司dc-9机型上cfrp的用量不足1％，到2011年末波音b787的主翼、尾翼、机体、地板等结构的50％用的是cfrp材料，空客a350xwa上cfrp材料所占的比例达到53％。

相比较飞机中传统使用的铝、钢和钛合金材料，cfrp的电传导性能差。一般来讲，cfrp层合板经向方向的电阻率为10^-5ω·m量级、横向平面方向的电阻率为10^-1ω·m量级、深度/厚度方向的电阻率更大。这就使得cfrp层合板在雷击情况下无法像金属材料那样具有短时间使积累的电荷迅速转移或扩散的能力，这部分积聚的能量以焦耳热的形式使得cfrp温度急剧升高，从而导致cfrp的纤维断裂、树脂热解、深度分层等严重损伤。

欧盟和美军标规定了航空器雷电直接的试验要求和雷电流分量，其中雷电分量包括分量a(首次雷电回击分量)或ah(首次雷电回击的过渡分量)、b(中间电流分量)、c/c*(持续电流分量)和d(后续回击分量)电流波，其中雷电流分量a、ah和d波均为峰值高(分别为200ka、150ka、100ka)、上升速率快的雷电流分量；雷电流分量b可以是平均电流2ka、上升时间短、持续时间为几个毫秒的双指数波，也可以是上升较为缓慢的方波电流；雷电流分量c为上升时间缓慢、持续时间几百毫秒的电流波。

自cfrp问世以来，诸多学者就将研究热点集中在其机械特性的研究方面，得出了机械冲击参量与cfrp的抗拉伸强度、抗压缩强度及损伤区域和损伤深度之间的关系规律。目前而言，关于碳纤维复合材料雷电损伤的研究获得了越来越广泛的关注，许多研究者在实验手段缺乏的情况下，通过建立单一雷电流a分量作用下碳纤维复合材料雷电损伤的热电耦合模型，通过仿真计算初步获得了碳纤维复合材料雷电损伤面积、损伤深度的影响规律。

但是，此仿真模型一般是以温度的临界值或者阻抗随热解度变化的规律而建立的，在临界温度临界值之前，热电耦合模型的初始条件均是静态(直流)小电流情况下碳纤维复合材料的电导率，完全忽略了雷电流作用下碳纤维复合材料电导率与静态直流小电流的显著差异，以及碳纤维复合材料雷电流作用下的非线性特征，使得仿真计算的结果与实际雷击下的雷电损伤存在较大差异。发明专利zl2015104538855公开了室温情况下“碳纤维复合材料非破坏性雷电流作用下阻抗特性测量方法及测量装置”，相关文献的研究结果也表明：碳纤维复合材料由于其结构、工艺特性，在雷电流作用下其电导率呈现明显的非线性特性；但在不同的温度环境下，特别是在树脂热解之前，碳纤维复合材料的非线性导电特性与温度有关，如果不考虑碳纤维复合材料中树脂热解的温度特性，碳纤维复合材料热电耦合仿真模型机仿真计算结果和实际雷击效应将会出现较大的偏差。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种单一雷电流分量作用下碳纤维复合材料损伤仿真计算方法，准确地得到碳纤维复合材料层合板的雷电损伤面积、深度与雷电分量参数之间的关系规律，为碳纤维复合材料层合板配方、工艺的研究提供理论依据。

为实现上述目的本发明采用如下方案：

单一雷电流分量作用下碳纤维复合材料损伤仿真计算方法，包括如下步骤：

1)、建立碳纤维复合材料雷电流作用下导电特性测量装置，该测量装置包括可控雷电流发生电源、温度环境试验箱和用于测量被试碳纤维复合材料层合板两端的电压和雷电流的脉冲电压取样单元和脉冲电流取样单元，脉冲电压取样单元和脉冲电流取样单元与计算机测控与分析单元相连，计算机测控与分析单元由高速数据采集单元、工业控制计算机和可编程序控制器组成；

2)、将被试碳纤维复合材料层合板连接在测量装置实验回路中；

3)、设置温度环境试验箱的加热温度，温度范围从室温至250℃，在温度范围内设置多个试验温度点，即t＝ti(i＝1，2……m)；

4)、设置被试碳纤维复合材料层合板的雷电流试验值，在雷电流试验值范围内设置多个试验值，即i＝ij(j＝1，2……n)；

5)、控制温度环境试验箱的初始温度升高至温度t1，计算机测控与分析单元(5)按照设定的雷电流试验的初始放电电流i1，通过高速数据采集单元和可编程序控制单元，控制可控雷电流发生电源的输出电流值达到it11，将规定波形、峰值为it11的雷电流流过被试碳纤维复合材料层合板；

6)、被试碳纤维复合材料层合板两端的电压和通过的雷电流通过脉冲电压取样单元和脉冲电流取样单元提取，并输至计算机测控与分析单元的高速数据采集单元，计算机测控与分析单元将脉冲电压取样单元和脉冲电流取样单元提取的数据通过高速数据采集单元进行模数转换，计算机测控与分析单元进行数据分析处理，得到被试碳纤维复合材料层合板两端的电压ut11及初始放电电流it11的值；

7)、继续通过计算机测控与分析单元输出控制可编程序控制器使可控雷电流发生电源的输出电流峰值至i2，……，重复上述步骤，直至雷电流im，由此获得温度t1下碳纤维复合材料的一组电流-电压值(it11，ut11)、(it12，ut12)……(it1n，ut1n)；

8)、控制升高温度试验箱的环境温度至t2，重复步骤4)—步骤6)，获得第二个温度点的一组数据(it21，ut21)、(it22，ut22)……(it2n，ut2n)；

9)、重复步骤4)—步骤7)，……，直至获得第m个温度点的一组数据(itm1，utm1)、(itm2，utm2)……(itmn，utmn)；

10)、将得到的多组电流-电压值((it11，ut11)、(it12，ut12)……(it1n，ut1n))……((itm1，utm1)、(itm2，utm2)……(itmn，utmn))，进行分析得到被试碳纤维复合材料层合板雷电流和温度两个因子作用下的伏安特性曲线；

11)、将步骤10)得到的伏安特性曲线进行数值拟合，获得碳纤维复合材料温度与雷电流两重因子作用下电导率与雷电流参数以及电导率与温度之间的数学表达式；

12)、按照预先设计的碳纤维复合材料雷电损伤仿真条件，将碳纤维复合材料的电导率按照步骤(11)的数学表达式进行外推，计算碳纤维复合材料在规定雷电流峰值的单一雷电流分量作用下的各向异性电导率，雷电流峰值的外推范围最大到100ka至200ka，作为碳纤维复合材料热电耦合模型中材料电导率的初始条件；

13)、设置拟建模仿真的碳纤维复合材料层合板的铺层结构，材料的密度、比热、热导率及机械强度参数；

14)、设置碳纤维复合材料雷电损伤的仿真模型边界条件，包括环境温度、临界温度，雷击作用过程中碳纤维复合材料与周围环境的热传导及辐射系数；

15)、划分碳纤维复合材料热电耦合模型的仿真计算网格，设定注入的雷电流分量参数，仿真计算雷电流与碳纤维复合材料作用过程中存在的热电效应；

16)、在碳纤维复合材料的温度升高到临界值之前，碳纤维复合材料内部树脂尚未发生热解，在仿真计算过程中，以碳纤维复合材料的电导随温度和雷电流两重因子变化的规律作为仿真计算的依据；

17)、当碳纤维复合材料的温度升高到临界值之后，碳纤维复合材料内部树脂出现热解，随着材料热解度的增加，碳纤维复合材料的导电特性、导热特性及机械性能均会发生巨大变化，其导电特性由原来的绝缘或高阻状态转变为良导体，其电导率按照树脂热解后的电导特性进行仿真计算；

18)、根据仿真计算得到的碳纤维复合材料在单一雷电流分量作用下的温度及热解度分布，对其雷电损伤面积和损伤深度进行分析。

进一步，步骤3)中设置温度环境试验箱的加热温度，温度范围内至少设置5个试验温度点，即t＝ti(i＝1，2……m)，m≥5。

进一步，步骤4)中设置被试碳纤维复合材料层合板的雷电流试验值，在雷电流试验值范围内至少设置不少于5个试验值，即i＝ij(j＝1，2……n)，n≥5。

进一步，所述碳纤维复合材料雷电流作用下导电特性测量装置，被试碳纤维复合材料层合板两端分别引出两对高温电气连接线，可控雷电流发生电源一输出端通过一侧的高温电气连接线与被测试品被试碳纤维复合材料层合板的一端连接，可控雷电流发生电源的另一输出端通过另一侧的高温电气连接线与被试碳纤维复合材料层合板另一端相连并接参考地，脉冲电压取样单元两端分别与被试碳纤维复合材料层合板两侧的另外两根高温电气连接线相连，脉冲电流取样单元套接在被试碳纤维复合材料层合板与可控雷电流发生电源低压端的电连接线上，脉冲电压取样单元和脉冲电流取样单元与计算机测控与分析单元相连。

进一步，所述的计算机测控与分析单元包括高速数据采集单元、工业控制计算机和可编程序控制器；

高速数据采集单元与脉冲电压取样单元和脉冲电流取样单元的输出端相连，高速数据采集单元接收来自脉冲电压取样单元和脉冲电流取样单元的信号，并将接收到的电压、电流模拟信号转变成数字信号后传递给工业控制计算机，工业控制计算机经计算得到通过被试碳纤维复合材料层合板的电流信号和两端的电压信号；可编程序控制器与可控雷电流发生电源相连接，工业控制计算机通过可编程序控制器输出模拟信号控制可控雷电流发生电源的输出电流幅值；工业控制计算机与温度环境试验箱相连，对温度环境试验箱的温度设置和升温速率进行控制。

本发明具有以下有益效果：

本发明考虑树脂热解效应的单一雷电流作用下碳纤维复合材料雷电损伤的仿真计算方法，加入了碳纤维复合材料雷电流作用下的初始阻抗特性以及碳纤维复合材料的树脂热解前碳纤维复合材料非线性导电特性的仿真计算条件，更好地仿真计算碳纤维复合材料的真实雷电效应，更为准确地得到碳纤维复合材料的雷击损伤，包括雷电损伤面积和损伤深度与雷电流分量参数之间的相关关系，为碳纤维复合材料配方、工艺的研究及其性能提升和工程应用奠定理论基础。

将规定雷电流幅值作用下碳纤维复合材料的电导率作为碳纤维复合材料雷电损伤模型仿真的初始条件，且在树脂热解前，碳纤维复合材料的电导率热解度变化的规律作为模型的仿真计算条件，这种考虑树脂热解的碳纤维复合材料的热电耦合模型，将雷电流作用过程中的热效应过程与碳纤维复合材料的电导特性直接关联，较为准确地得到碳纤维复合材料层合板的雷电损伤面积、深度与雷电分量参数之间的关系规律，探究碳纤维复合材料与的雷电损伤机理，为碳纤维复合材料层合板配方、工艺的研究提供理论依据。

附图说明

图1是本发明的测试回路；

图2是本发明中计算机测控与分析单元组成框图；

图3是本发明中被试碳纤维复合材料层合板的安装方法；

图4是本发明树脂热解前碳纤维复合材料在雷电流分量作用下电导特性的测量方法流程图；

图5是考虑树脂热解前效应的碳纤维复合材料在单一雷电流分量作用下雷电损伤的测量方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。

参见图1，本发明的测试装置包括可控雷电流发生电源1、脉冲电压取样单元2、脉冲电流取样单元3、被试碳纤维复合材料层合板4、计算机测控与分析单元5和温度环境试验箱6。所述的被试碳纤维复合材料层合板4放置在温度环境试验箱6中，被试碳纤维复合材料层合板4两端分别引出两对高温电气连接线hv1、hv2和lv1、lv2。可控雷电流发生电源1的一输出端通过高温电气连接线hv1与被试碳纤维复合材料层合板4的一端连接，被试碳纤维复合材料层合板4的另一端通过高温电气连接线lv1与可控雷电流发生电源1的另一端相连并接参考地。同时，脉冲电压取样单元2的高压端通过高温电气连接线hv2与被试碳纤维复合材料层合板4的高压端相连，脉冲电压取样单元2的低压端通过高温电气连接线lv2与试碳纤维复合材料层合板4的低压端相连。脉冲电流取样单元3套接在被试碳纤维复合材料层合板4与可控雷电流发生电源1低压端的电连接线上，脉冲电压取样单元2和脉冲电流取样单元3的输出与计算机测控与分析单元5相连。

参见图2，计算机测控与分析单元5包括高速数据采集单元7、工业控制计算机8和可编程序控制器9，其中高速数据采集单元7与脉冲电压取样单元2和脉冲电流取样单元3的输出端相连，可编程序控制器9与可控雷电流发生电源1相连。高速数据采集单元7即a/d转换器接收来自脉冲电压取样单元2和脉冲电流取样单元3的信号，并将接收到的电压、电流的模拟信号转变成数字信号后传递给计算机测控与分析单元5，计算机测控与分析单元5经计算得到通过被试碳纤维复合材料层合板4的电流信号和两端的电压信号。同时，计算机还可以通过可编程序控制器9输出模拟信号控制控雷电流发生电源1的输出电流幅值。

参见图2，计算机测控与分析单元5的工业控制计算机8与温度试验箱6相连，两者之间通过rs232串口通讯实现工业控制计算机8对温度试验箱6的温度设置和升温速率控制。

参见图3，本发明的温度环境中碳纤维复合材料雷电流作用下导电特性的测试方法和测试装置的被试碳纤维复合材料层合板的安装方法包括以下三种：电极水平安装，电极垂直安装和电极上下安装。如果是电极上下安装，则可以测量被试碳纤维复合材料层合板4本体的导电特性，其雷电流从被试碳纤维复合材料层合板4的上端面流入、下端面流出。

参见图4，本发明的温度环境中碳纤维复合材料雷电流作用下的导电特性的测量方法如下：

1)将被试碳纤维复合材料层合板4安装在两电极10、11之间接入实验回路中。

2)设置碳纤维复合材料温度环境的试验温度，从室温至250℃范围内，至少设置5个试验温度点，即t＝ti(i＝1，2……m)，m至少为5。启动计算机测控与分析系统控制温度试验箱的温度设置和升温速率，当升到预先设定的温度时，保温30分钟。

3)在雷电流发生电源的人机交互界面上设置试验电流，在试验电流范围内至少设置5个电流幅值点，即i＝itij(j＝1，2……n)，n至少为5。

4)计算机测控与分析单元按照设定的初始放电电流幅值it11，通过高速数据采集单元和可编程序控制单元，控制可控雷电流发生电源输出预设放电电流值，那么，规定波形、幅值电流为it11的雷电流流过被试碳纤维复合材料层合板。

5)被试碳纤维复合材料层合板两端的脉冲电压和通过的脉冲电流通过脉冲电压取样单元和脉冲电流取样单元提取，并输至计算机测控与分析单元的高速数据采集单元，计算机测控与分析单元将脉冲电压取样单元和脉冲电流取样单元提取的数据通过高速数据采集单元进行模数转换，计算机测控与分析单元进行数据分析处理，得到被试碳纤维复合材料层合板两端的电压ut11及初始放电电流it11的值。

6)继续通过计算机测控与分析单元输出控制可编程序控制器使可控雷电流发生电源1的输出下一个电流值it21流经被试碳纤维复合材料层合板，并将此时对应的脉冲电压取样单元和脉冲电流取样单元的模拟量通过计算机测控与分析单元的高速数据采集单元进行数据采集，然后传给计算机测控与分析单元的计算机进行数据分析，得到电流it12及对应的被试碳纤维复合材料层合板两端的电压ut12。

7)重复步骤6)，直到通过被试碳纤维复合材料层合板的电流达到it2n和被试碳纤维复合材料层合板两端的电压ut1n为止。

8)控制温度环境试验箱的温度升高到下一个温度试验值t2，重复上述步骤3)至7)，达到第2组试验值(it21，ut21)、(it22，ut22)……(it2n，ut2n)。

9)继续控制温度试验箱的温度值升高直至tm，重复上述步骤3)至7)，达到第2组试验值(itm1，utm1)、(itm2，utm2)……(itmn，utmn)。

10)将得到的一组电流-电压值((it11，ut11)、(it12，ut12)……(it1n，ut1n))……((itm1，utm1)、(itm2，utm2)……(itmn，utmn))数据连接起来，就可以得到被试碳纤维复合材料层合板4雷电流和温度两个因子作用下的伏安特性曲线。

11)根据得到的被试碳纤维复合材料层合板4雷电流和温度两个因子作用下的伏安特性曲线进行数值拟合，得到被试碳纤维复合材料层合板4雷电流作用下其电导率与雷电流参数、电导率与温度之间相互关系的数学表达式。

参见图5，本发明的考虑树脂热解效应的单一雷电流分量作用下碳纤维复合材料雷电流作用下的雷电损伤的计算方法如下：

1)输入按照图4所示的测试流程得到的碳纤维复合材料在非破坏性雷电流分量作用下的电导率与温度之间相关关系的数学表达式。

2)按照得到的碳纤维复合材料电导率与雷电流参数之间的数学关系式，外推得到碳纤维复合材料在规定电流下的电导率，作为碳纤维复合材料热电耦合模型中材料电导率的初始条件。

3)根据实际情况设置碳纤维复合材料层合板的铺层结构，材料的密度、比热、热导率及机械强度等参数；

4)设置碳纤维复合材料雷电损伤的仿真模型边界条件，包括环境温度，雷击作用过程中碳纤维复合材料与周围环境的热传导及辐射系数等。

5)划分碳纤维复合材料热电耦合模型的仿真计算网格，设定注入的雷电流分量参数，仿真计算雷电流与碳纤维复合材料作用过程中存在的热电效应。

6)设定注入的雷电流分量波形参数，仿真计算雷电流与碳纤维复合材料作用过程中存在的热电效应。

7)当碳纤维复合材料的温度升高到临界值之后按照碳纤维材料的电导率与温度之间的关系进行仿真计算。

8)当碳纤维复合材料的温度升高到临界值之后，碳纤维复合材料内部树脂出现热解。随着材料热解度的增加，碳纤维复合材料的导电特性、导热特性及机械性能均会发生巨大变化，其导电特性由原来的绝缘或高阻状态转变为良导体，按照电导率与热解度的关系进行碳纤维复合材料雷电损伤的仿真计算。

根据仿真计算得到的碳纤维复合材料在单一雷电流分量作用下的温度及热解度分布，对其雷电损伤面积和损伤深度进行分析。

最后应该说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。