飞机碳纤维复合材料层压板雷电损伤特性研究

摘要

雷电的电压可能高达上百万伏，峰值电流可能达200kA，严重威胁飞机的安全飞行。为了降低飞机的自身重量、提高飞机续航的能力，在飞机的设计制造上已大量使用碳纤维复合材料，但是由于碳纤维复合材料的导电性能较差，当雷电击中飞机时，将对飞机所用复合材料的结构造成严重的损伤，雷电损伤问题已成为制约碳纤维复合材料在现代飞机上大规模应用的关键问题之一。
　　首先本文选取了火焰喷涂铝防护和编织铜网防护的复合材料试验件开展了雷电流注入试验，对比两种防护方式试验件的雷电防护能力。然后本文制备不同导电改性的T800/5228A碳纤维复合材料层压板作为试验件，采用标准规定的雷电流波形对试验件开展雷电注入试验，观察不导电改性方式下试验件的雷电损伤情况。最后采用有限元软件ANSYS仿真研究带导电铺层碳纤维复合材料雷电损伤特性及不同电导率和电流峰值下碳纤维复合材料的损伤情况。采用热电耦合仿真与雷电试验相结合的方法研究了碳纤维复合材料雷电损伤的影响因素和损伤规律。主要结论如下:
　　(1)火焰喷涂铝防护比铜网防护的碳纤维复合材料层压板有更好的雷电防护能力。
　　(2)碳纤维复合材料表面铺导电膜与层间加导电膜的防护方式可有效减少复合材料试验件的损伤面积，提高复合材料试验件的雷电防护能力。
　　(3)碳纤维复合材料的损伤面积及损伤深度随电流峰值的增加而增加，随着碳纤维复合材料厚度方向电导率的增加而显著降低，提高碳纤维复合材料厚度方向的电导率，可有效提高复合材料的雷电防护能力。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究的背景

1．1．1 雷电对航空器的危害

1．1．2 复合材料雷电防护

1．2 研究现状

1．3 本文主要工作

第二章 碳纤维复合材料雷电损伤试验研究

2．1 引言

2．2 试验方法

2．2．1 试验波形

2．2．2 试验对象

2．3 试验及结果讨论

2．3．1 不同防护方式试验结果的对比

2．3．2 同一防护方式试验结果韵对比

2．4 本章总结

第三章 碳纤维复合材料热电耦合分析

3．1 引言

3．2 复合材料有限元分析基础

3．2．1 热传递的方式

3．2．2 基本电热耦合分析理论

3．3 碳纤维复合材料热-电耦合仿真

3．3．1 材料参数

3．3．2 复合材料板有限元仿真模型

3．3．3 雷电流波形

3．3．4 无防护方式复合材料板有限元仿真

3．3．5 复合材料板雷电注入点温度情况

3．3．6 复合材料板电势变化

3．4 本章小结

第四章 碳纤维复合材料雷电损伤影响因素研究

4．1 引言

4．2 导电改性方式对碳纤维复合材料雷电损伤的影响

4．2．1 试验方法

4．2．2 损伤面积实验结果

4．2．3 损伤深度实验结果

4．3 导电铺层对碳纤维复合材料雷电损伤的影响

4．3．1 有限元模型

4．3．2 带导电铺层碳纤维复合材料有限元仿真

4．4 碳纤维复合材料厚度方向电导率对雷电损伤的影响

4．4．1 损伤面积对比

4．4．2 损伤深度对比

4．5 电流峰值对碳纤维复合材料雷击损伤的影响

4．5．1 损伤面积对比

4．5．2 损伤深度对比

4．6 本章小结

第五章 总结展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况