飛機金屬屏蔽罩雷擊防護仿真分析與試驗研究

胡 挺，余雄慶

(南京航空航天大學(xué) 飛行器設(shè)計先進技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室， 南京 210016)

傳統(tǒng)飛機多為鋁合金結(jié)構(gòu)，可在惡劣的氣象條件下飛行，并能經(jīng)受閃電的沖擊。因為鋁是一個非常好的電導(dǎo)體，被閃電擊中時，很少出現(xiàn)嚴重或災(zāi)難性的損壞?，F(xiàn)代飛機設(shè)計中，飛機結(jié)構(gòu)開始越來越多地使用復(fù)合材料，碳纖維復(fù)合材料(CFC)是最常使用的具有導(dǎo)電性的復(fù)合材料，閃電模擬試驗表明未保護的部分可能會被破壞[1-2]。材料的損壞由碳纖維的電阻升溫造成，雷擊能在極短時間內(nèi)傳送大量的電流，非金屬材料傳遞電荷十分困難，這種電荷的快速傳送會使復(fù)合材料層快速升溫汽化，如果這一過程發(fā)生在有限的空間內(nèi)，就能產(chǎn)生很大的氣壓，壓力值可達到大面積結(jié)構(gòu)損傷的程度[3]。

早在1946年，國外就開始建立雷電研究所，對雷電現(xiàn)象的本質(zhì)與產(chǎn)生的機理進行研究，探討相關(guān)防護方法[4-9]。Hirano等[10]用實驗方法研究了不同脈沖波形雷電流作用下復(fù)合材料層合板的損傷，并通過無損檢測技術(shù)探測層合板內(nèi)部損傷，結(jié)果表明不同沖擊參數(shù)的雷電流產(chǎn)生的焦耳熱對復(fù)合材料層合板破壞模式產(chǎn)生的影響都不同。Hirohide Kawakami等人對復(fù)合材料層合板表層鋪設(shè)金屬網(wǎng)的雷擊防護效果進行了試驗研究[11]，闡明了雷電防護金屬網(wǎng)的重要性，鋪設(shè)金屬網(wǎng)的層合板和不鋪設(shè)金屬網(wǎng)的層合板的損傷對比分析結(jié)果表明金屬網(wǎng)起到了很好的防護效果，但是復(fù)合材料層合板還是出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)破壞損傷。中國民航大學(xué)紀朝輝等人針對復(fù)合材料導(dǎo)電性能差這一問題，在復(fù)合材料表層鋪設(shè)金屬導(dǎo)電層解決防雷問題，對火焰噴涂鋁、鋁箔、鋁網(wǎng)等三種防護層的制作工藝與試用性進行了探討分析[12]。

為探究金屬屏蔽罩的實際防護效果，本文通過仿真計算與試驗結(jié)合的方法，分析不同電流載荷下試件的損傷情況。

1 多場耦合仿真分析

電流流過導(dǎo)體時做功產(chǎn)生熱量，所耗散的電能轉(zhuǎn)化為熱能，即產(chǎn)生焦耳熱。電流傳導(dǎo)與溫度分布具有相互依賴關(guān)系，當(dāng)復(fù)合材料遭遇雷擊時，損傷的形成過程總是伴隨著電、熱、力三者的耦合作用[13,14]。由基于Maxwell方程組的電荷守恒定律出發(fā)，即可推導(dǎo)出電分析的基本公式：

式中：V為曲面S表面上的控制體體積；n為曲面S表面的外法線方向矢量；J為電流(面)密度；re為單位體積的內(nèi)部體電流源，σ為導(dǎo)電率。

雷電流流過導(dǎo)體時，因材料電阻而耗散的電能導(dǎo)致復(fù)合材料溫度上升，從而使材料受熱膨脹。假定全部電能轉(zhuǎn)化為熱能，即可推導(dǎo)出熱傳導(dǎo)的基本公式：

式中：ρ,Cv,θ,κ和q分別為密度、比熱容、溫度、熱傳導(dǎo)率以及流向控制體V的熱流密度。

由于材料各向異性的導(dǎo)電率和熱導(dǎo)率，使得其溫度和熱量分布不均勻，從而使熱應(yīng)力產(chǎn)生各向異性。通過導(dǎo)電率δ=δ(θ)和熱密度r=r(J)將上述電與熱的基本公式相耦合，就能通過計算兩方程獲取每個單元的電勢、電流、產(chǎn)生的焦耳熱以及溫度，從而獲得各單元的熱應(yīng)力?；谏鲜鲇嬎惴椒?，運用ABAQUS仿真軟件，可以對復(fù)合材料在雷擊下的損傷過程進行真實模擬。

有限元模型沿厚度方向劃分為4層，如圖1所示，自上而下分別為：銅網(wǎng)，碳纖維上面板，蜂窩夾芯，碳纖維下面板。其中復(fù)合材料纖維鋪層采用與雷擊試驗相同的高溫固化標(biāo)模碳纖維環(huán)氧樹脂預(yù)浸料(CYCOM 970/PWC)，碳纖維上下面板層數(shù)為8層，鋪層方式為[45/0/-45/90]s，其基本力學(xué)性能見表1。模型的銅網(wǎng)層與碳纖維上面板之間定義粘性(Cohesive)接觸，模擬膠接界面，釋放局部自由度。在ABAQUS軟件中運用C3D8單元對模型進行離散，并對模型施加邊界條件及載荷：銅網(wǎng)層四邊設(shè)置電壓邊界，初始電勢為0；模型下面板與試驗臺接觸的表面設(shè)置固支約束，并對其設(shè)置溫度邊界，初始溫度為25 ℃；在模型上表面中心點施加電流載荷，載荷大小與試驗載荷相當(dāng)。計算模型邊界條件及加載示意圖如圖2。

性能項目鋪層規(guī)范要求實測性能0°拉伸強度/MPa[經(jīng)向]126006680°拉伸模量/GPa[經(jīng)向]1250～6956.1主泊松比[經(jīng)向]12—0.04290°拉伸強度/MPa[緯向]1253870690°拉伸模量/GPa[緯向]1252～6460.60°壓縮強度/MPa[經(jīng)向]12—597.6

圖3～圖5為多場耦合計算應(yīng)力云圖，100 kA電流作用時，銅網(wǎng)應(yīng)力水平最高為596.9 MPa，高于材料許用值，銅網(wǎng)層發(fā)生破壞，應(yīng)力分布如圖3(a)所示，應(yīng)力高水平區(qū)域約為100 mm×100 mm；碳纖維面板應(yīng)力最高為471.3 MPa，低于材料強度許用值，未發(fā)生破壞，應(yīng)力分布如圖3(b)所示。

200 kA電流作用時，銅網(wǎng)應(yīng)力水平最高為1 297 MPa，高于材料許用值，銅網(wǎng)層發(fā)生破壞，應(yīng)力分布如圖4(a)所示；碳纖維面板應(yīng)力最高為780.2 MPa，高于材料強度許用值，在應(yīng)力集中區(qū)域發(fā)生破壞，應(yīng)力分布如圖4(b)所示，應(yīng)力集中區(qū)域呈“十”字狀中心對稱分布。

此外，由于雷擊附著區(qū)沿層合板的厚度方向溫度場的分布不均勻，層厚方向必然產(chǎn)生較大的殘余熱應(yīng)力，當(dāng)層合板遭受大電流沖擊時，該殘余應(yīng)力會導(dǎo)致層合板分層及板層翹曲。圖5所示為沿試件厚度方向的應(yīng)力分布，施加銅網(wǎng)防護后的碳纖維層板僅頂層有較大的應(yīng)力集中，雷電流產(chǎn)生的熱應(yīng)力并未向下層擴散，足見銅網(wǎng)起到了較好的防護作用。

由ABAQUS仿真結(jié)果可以看出，在不同電流載荷下碳纖維面板的應(yīng)力水平均明顯低于銅網(wǎng)的應(yīng)力水平，說明在大電流沖擊作用于該材料結(jié)構(gòu)時，銅網(wǎng)起到了吸能保護作用。而200 kA電流作用時，碳纖維板應(yīng)力高于材料許用值發(fā)生破壞，與下文雷擊試驗結(jié)果相吻合。

2 模擬雷擊試驗與渦流檢測

雷電防護試驗采用高溫固化標(biāo)模碳纖維環(huán)氧樹脂預(yù)浸料(CYCOM 970/PWC T300 3K)織物，選取SynSkin HC9837.1防雷擊膠膜進行共固化膠接，固化后層合板的單層厚度為0.216 mm，面密度為322 g/m2。雷擊屏蔽罩選用高電導(dǎo)率的黃銅絲網(wǎng)，利用復(fù)合材料基體作為膠粘劑與零件一次固化成形。

試驗輸入電流載荷采用100 kA和200 kA兩種，通過施加不同電流載荷沖擊施加防護的試件表面，金屬網(wǎng)首先受到電流沖擊，復(fù)合材料層在熱電耦合作用下產(chǎn)生各向異性的熱應(yīng)力導(dǎo)致材料損傷。采取基于電磁感應(yīng)原理的渦流檢測儀器檢測損傷結(jié)果，通過測量試件內(nèi)感生渦流的變化，可以無損檢測和顯示材料缺陷。

圖6(a)所示試件為無損試件，即該試件沒有受電流沖擊損傷，試件表面銅網(wǎng)結(jié)構(gòu)完好。圖6(b)為復(fù)合材料層合板表面渦流檢測結(jié)果，顯示無損試件的表面為網(wǎng)狀纖維結(jié)構(gòu)。以無電流沖擊試驗件的表面特征作為參照標(biāo)準。

在100 kA試驗電流沖擊下，試件目視破損情況如圖7(a)，表面無纖維斷裂損傷，但銅網(wǎng)結(jié)構(gòu)存在明顯損傷。圖7(b)為渦流檢測結(jié)果，顯示試件表面不存在裂紋缺陷。對比100 kA載荷下的仿真結(jié)果，面板應(yīng)力低于材料許用強度未發(fā)生破壞，與雷擊試驗結(jié)果相符合。

在200 kA試驗電流沖擊下，試件目視破損情況如圖8(a)，表面存在纖維斷裂損傷，銅網(wǎng)結(jié)構(gòu)受到明顯破壞，圖8(b)為渦流檢測結(jié)果，顯示試件表面存在明顯裂紋缺陷。觀察纖維斷裂情況，試件中央顯示為近“十”字狀的破損形貌，與圖4(b)所示的表面應(yīng)力分布仿真結(jié)果所預(yù)測的損傷形式一致。

模擬雷擊試驗結(jié)果顯示，銅網(wǎng)屏蔽罩在兩次大電流雷擊模擬下均受到明顯損傷破壞，在100 kA下受保護試件表面完整無裂紋，200 kA下受保護試件出現(xiàn)纖維斷裂，說明銅網(wǎng)起到了防護作用，但是對于更高的雷擊電流需要考慮更加有效的防護手段。

3 結(jié)論

1) 由仿真結(jié)果中銅網(wǎng)與碳纖維面板的應(yīng)力云圖可知，100 kA電流載荷下，銅網(wǎng)層破壞，碳纖維面板最高應(yīng)力為471.3 MPa，未發(fā)生破壞；200 kA電流載荷下，銅網(wǎng)層破壞，碳纖維面板最高應(yīng)力為780.2 MPa，發(fā)生破壞。

2) 對比在100 kA和200 kA電流載荷下碳纖維面板的損傷情況，100 kA下銅網(wǎng)防護效果明顯，面板未出現(xiàn)斷裂損傷；200 kA下面板沿應(yīng)力集中區(qū)域發(fā)生破壞，表面存在明顯裂紋缺陷，試件中央顯示為近“十”字狀的破損形貌。

3) 從試件厚度方向觀察并未產(chǎn)生較大的殘余熱應(yīng)力，說明銅網(wǎng)防護下的碳纖維層板遭受實際雷電流沖擊時，可以起到吸能保護作用。