民用航空飞机短舱系统雷电直接效应仿真分析方法探析

引言

民用航空飞机近年来大量使用复合材料作为其机身主体材料,在不断降低机身重量及提升结构性能的同时,给复合材料机体结构雷电直接效应防护的设计及验证问题带来了巨大挑战/11,尤其像动力装置短舱这类复杂系统,由于其复合材料结构特征多,如果单纯依靠试验手段进行设计优化及验证,需要针对每个阶段的设计结果进行大量的复合材料平板级试验,成本巨大。针对这种情况,在研制初期的设计迭代阶段,国内外目前广泛采用雷电直接效应仿真分析的手段对复合材料结构进行设计优化及验证工作。本文结合国内外主流思想,形成了一整套以仿真分析为主的雷电直接效应防护设计及验证方案,可以极大地降低研发和验证成本。

1仿真工作的开展

1.1确定仿真对象

复杂系统雷电直接效应仿真对象分为两类,即整体系统的雷电路径简化模型和特征结构。特征结构选取原则与试验一致,包含特征板件、特征结构、特征搭接、特征失效模式等。

1.2建立仿真模型

1.2.1复杂系统整体简化仿真建模

复杂系统整体简化仿真模型为雷电流传导模型,最主要的是根据雷电分区结合复杂系统在飞机的位置,确定雷电出点和入点,形成电流传导的回路/21。

雷电出入点选取原则:

（1）所选取的出入点形成的雷电分布可以考察到系统所有区域:（2）所选取的出入点形成的雷电威胁最严酷。

1.2.2特征结构仿真建模

特征结构需要建立电流传导模型和电流引弧模型,其模型设置与试验一致,可以参考试验标准/3-41。1区和2区选取的

特征结构需要建立雷电电流引弧模型,3区和系统内部结构建立电流传导模型。

1.3本征材料参数测量

在仿真计算中,材料参数至关重要,材料参数是否合理将直接决定仿真求解的准确性。雷电直接效应问题求解的关键材料参数主要有材料的本征电导率、热传导系数和热容等。本文给出了金属网及复合材料电导率测量方法,其他材料参数可以经过专业实验室进行测量,或者引用权威测量实验室的数据,在仿真过程中结合实际进行校准。

1.3.1金属网各向异性电导率测量方法及原理

金属网在仿真计算时,结构精细复杂,有限元建模难度大,往往将金属网等效成平板层。此时等效的金属层的本征电导率就需要通过计算或测量得到。由于金属网的生产工艺对其导电性影响很大,因此本文建议应用测量的方法来获得材料的本征各向异性电导率。

金属网的结构特性导致其电导率具有各向异性,因此在测量时需要测量x、Y、Z3个方向的电导率,即σxx、σyy、σzz,并设计有针对性的测量方法。

1.3.1.1σxx、σyy的测量方法

对于σxx、σyy的测量,样品制作需考虑电流的均匀传播及测试误差。建议制作多个具有较大长宽比的矩形试件,分别进行测量。

1.3.1.2σzz的测试方法

金属铜网厚度方向的电导率σzz的测试较困难,需要通过正负两个电极将电流注入材料内部,此时这三部分电阻在电路中串联。一般情况下,金属铜网的电导率在107s!m量级,其电阻率非常小,则测量电极的电阻对总电阻影响较大,测出的电阻与金属铜网的真实电阻相差较大,由此计算出的电导率误差也将会较大。

对于金属铜网材料,最终测量结果为:

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复合材料各向异性电导率测量方法及原理

在复杂工程仿真计算中,对系统中的复合材料进行纤维层式的建模方式基本不可能实现,因此在仿真计算中将复合材料进行等效建模,需要测定复合材料的宏观各向异性电导率。将复合材料沿纤维方向设为X方向,垂直于纤维方向设为y方向,厚度方向设为Z方向。由于复合材料具有各向异性,需要测量X、y、Z3个方向的电导率,加之材料的结构属性,设计的有针对性的测试方法如下:

1.3.2.1gxx、gyy的测试方法

目前主流测试方法主要参考中国航天工业总公司航天工业行业标准,其测试原理为双探针法测试,测试方法基于欧姆定律。考虑到该类CFRP材料在X方向和y方向厚度相同,且电流均沿着试件长边传播,因此测试方法相同。

本文提供一种能较好地测量各向异性复合材料电导率的测试方法,具体如下:制作正方形(长方形亦可）样件,使用两个金属电极夹在复合材料两侧,用高精度的电阻测试仪器测试电阻。使用金属电极时应对CFRP材料两端进行打磨,使得碳纤维完全露出来,用导电胶将金属电极与其相连,并使用压力夹将电极夹住,保证电极与CFRP材料充分接触。

测试方案等效于串联电路,其测试电阻与金属电极和CFRP材料电阻之间的关系为:

式中,R为兆欧表所测得的电阻:R1为左边金属电极的电阻:R2为CFRP试件的电阻:R3为右边金属电极的电阻。

故CFRP材料电阻为:

CFRP材料电阻率为:

因此,CFRP材料电导率为:

1.3.2.2gzz的测试方法

CFRP材料厚度方向的电导率gzz测试较困难,需要通过正负两个电极将电流注入材料内部,此时这三部分电阻在电路中串联。其中R1为左边金属电极的电阻,R2为CFRP试件的电阻,R3为右边金属电极的电阻,R为兆欧表所测得的电阻,各电阻同样符合式(1）的关系。在使用金属电极时,应将CFRP材料上下表面进行打磨,使得碳纤维完全露出来,用导电胶将金属电极与其相连,并使用压力夹将电极夹住,保证电极与CFRP材料充分接触。金属电极尺寸应大于或等于CFRP试件的尺寸,保证电流在CFRP试件上传播均匀。

通过直流电阻仪测得电阻R,由式(2）求得CFRP材料的电阻R2,通过式(3）(4）分别求出电阻率pzz和电导率gzz。

无论测量什么方向的电导率,都需考虑测试误差,建议制作多个CFRP材料试件,分别进行测试,并记录测量的电阻值,计算出电阻率p,求出平均电阻率后再求电导率g。

对于CFRP材料,最终测量结果为:

1.4模型网格设计

在模型建立时全部使用设计尺寸,材料加载按实际测量为准。在仿真时主体保持设计的原有尺寸,必要情况下有些电性能弱的部位需要做精简处理,根据实际情况而定。对于三维电磁数值仿真,选用稳定性较好的自由四面体为基本网格单元。

2计算结果准确性分析

仿真计算求解出的结果需要初步判断计算本身的准确性(主要考虑算法的准确性）:

(1）计算出的结果是否符合物理规律:(2）计算出的结果是否和加载材料的规律一致:(3）计算出的结果是否和预想的边界条件一致:(4）计算出的结果有没有局部畸变求解,是否对整体结果有影响等。

3仿真结果分析

在确定仿真计算本身准确后,就可以对仿真结果进行分析,雷电路径需要分析其电流分布和电流密度积分,热损伤、热斑点需要分析其温度分布,力损伤需要分析其受力分布,击穿电压需要分析其电场分布以及应用电场积分的电压、空间环境可以分析电磁场。

4结语

相比于试验,仿真在可实施性与成本等方面有很大优势。对于短舱系统这类由多复合材料制成的复杂系统雷电直接效应防护问题,形成一套可靠的仿真分析方法对于型号研制起到了至关重要的作用。本文以仿真分析为主的雷电直接效应防护设计及验证思路,可为相关研究及工程项目实施提供参考。