基于电热耦合效应的CFRP复合材料雷电损伤与防护研究

碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced composite, CFRP)是航空航天领域及地面装备典型部件中常用的结构材料,直接雷击引发的电热耦合效应将产生较为严重的烧蚀损伤甚至破坏重要装备。表面敷设金属网是常见的复合材料雷击防护手段。本文将金属网/CFRP模型等效为各向异性结构,以烧蚀面积和深度作为损伤评估准则,开展电热耦合效应下CFRP裸板及进行表面敷设金属网防护后的雷击损伤仿真分析并开展试验验证,仿真结果与试验结果高度吻合。结果表明:金属网的烧蚀损伤与其流通的电流密度及其热效应累积有关,影响金属网/复合材料烧蚀面积与深度的因素包括通流能力与铺设方法;采用克重较大即通流能力较强的金属网和长边接地的敷设方式能够对CFRP复合材料进行较好的防护。本文所用仿真方法及结论可以为复合材料雷击防护设计与产品开发提供支撑,并为后续地面装备典型结构直接雷击防护提供设计思路。