碳纤维复合材料在雷电流作用下的损伤仿真与试验

广泛应用于飞机制造业的碳纤维复合材料(CFRP)导电性较差,其遭受雷击时很难迅速将雷电流泄放出去,雷电流在材料内产生的电阻热会对材料产生严重的热烧蚀损伤,因此通过仿真和试验手段对碳纤维复合材料雷击损伤机理进行了研究。通过建立航空用碳纤维复合材料雷击损伤的3维有限元模型,采用温度场分布来表征材料的损伤面积和损伤深度,并通过有限元软件ABAQUS对型号为IM600/133的碳纤维复合材料开展了雷击损伤数值模拟研究。仿真结果表明:雷击过程中,复合材料表面的温度和沿雷击位置法向的损伤深度在雷击初始阶段迅速增加;当雷电流幅值达到最大后,温升和损伤深度增加速率逐渐变缓,复合材料表层的温升变化规律和所施加的雷电流变化规律基本一致。铺层结构表面的雷电流主要沿着复合材料板表层电导率最大的方向传导,雷电流在材料中产生的热流也主要沿着表层传导,使得复合材料板的电热损伤主要分布在表层;编织结构的雷击损伤区域近似呈圆形分布,圆心为雷电流附着点。通过对比仿真和试验,两者有较好的一致性,证实了所建有限元模型的合理性。