雷击作用下典型复合材料结构的多场耦合效应

目录 前言 第1章绪论1 1.1飞机雷击背景1 1.2飞机雷击研究现状4 1.2.1雷电观测和放电机制4 1.2.2雷电通道数值模拟5 1.2.3雷电触发机理和多物理场耦合8 1.3复合材料防雷击设计研究10 1.4复合材料雷击后剩余强度研究13 1.5飞机燃油系统雷击损伤研究14 1.6本书内容安排17 参考文献18 第2章磁流体动力学理论与雷击放电机理27 2.1雷电磁流体动力学理论27 2.1.1流体动力学方程27 2.1.2磁流体动力学方程29 2.2放电等离子体数值计算方法36 2.2.1CFD计算方法及流程36 2.2.2FLUENT二次开发37 2.2.3MHD模型求解39 2.3二维电弧热等离子体实例验证40 2.3.1二维电弧几何模型41 2.3.2边界条件41 2.3.3计算结果分析和验证42 2.4三维雷电电弧等离子计算45 2.4.1几何模型及网格划分45 2.4.2边界条件46 2.4.3放电等离子通道计算设置48 2.5三维等离子通道特征48 2.5.1放电通道演变过程48 2.5.2等离子体通道传热分析50 2.5.3过压和冲击波效应54 2.5.4电磁分布特征57 参考文献60 第3章复合材料油箱口盖结构雷击烧蚀分析63 3.1油箱口盖结构雷击分析63 3.1.1油箱口盖结构雷击模型63 3.1.2计算结果与分析64 3.2油箱口盖雷击损伤影响因素分析66 3.2.1口盖材质对雷击烧蚀影响66 3.2.2雷击位置影响67 3.2.3口盖厚度的影响71 3.2.4搭接区域间隙内填充密封胶74 3.3含螺栓油箱口盖结构75 3.3.1含螺栓油箱口盖有限元模型75 3.3.2雷电作用在口盖时的计算结果分析77 3.3.3雷电作用在螺栓时的计算结果分析78 参考文献80 第4章整体油箱雷击点火源分析81 4.1油箱结构的雷击危害81 4.2整体油箱雷击计算模型82 4.2.1金属整体油箱结构82 4.2.2复合材料整体油箱结构85 4.2.3材料参数和边界条件86 4.3金属整体油箱点火源分析87 4.3.1电流密度分布情况87 4.3.2电接触程度对结构界面电流密度的影响95 4.3.3组件界面电场强度分析97 4.3.4温度分布规律99 4.4复合材料整体油箱点火源分析100 4.4.1复合材料油箱电流密度分布100 4.4.2复合材料油箱组件界面电场强度分析105 4.4.3复合材料油箱温度分布106 参考文献107 第5章雷电磁流体与复合材料多物理场耦合方法109 5.1雷击多物理场耦合技术109 5.1.1基本理论109 5.1.2插值方法对比112 5.1.3动网格技术115 5.1.4雷电磁流体与复合材料耦合算法118 5.2雷电磁流体与复合材料加筋壁板耦合分析与验证120 5.2.1复合材料加筋壁板雷击试验120 5.2.2雷击后复合材料加筋壁板超声C扫描检测124 5.2.3雷电磁流体与复合材料加筋壁板耦合计算126 5.3雷电磁流体与复合材料扫掠耦合分析134 5.3.1飞机雷击扫掠机理134 5.3.2雷击扫掠通道演变135 5.3.3雷击扫掠损伤140 参考文献142 第6章复合材料雷击动态损伤模型分析144 6.1各向异性本构模型144 6.2各向异性弹塑性本构模型145 6.2.1弹性阶段应力-应变关系145 6.2.2塑性阶段应力-应变关系149 6.3物态方程和屈服方程151 6.3.1物态方程的引入151 6.3.2弹性阶段物态方程及修正151 6.3.3塑性阶段物态方程修正152 6.3.4屈服方程153 6.4雷击动态损伤分析方法154 6.4.1复合材料加筋壁板有限元模型154 6.4.2分析流程和材料参数155 6.5计算结果分析157 6.5.1复合材料加筋壁板等效应力分布157 6.5.2复合材料加筋壁板温度分布162 6.5.3复合材料加筋壁板变形情况166 6.5.4复合材料加筋壁板分层损伤分析170 参考文献172 第7章不同失效准则下复合材料雷击后剩余强度分析175 7.1雷击损伤后复合材料力学性能175 7.2雷击损伤后复合材料层合板压缩试验176 7.2.1试验件176 7.2.2试验方案176 7.2.3试验结果及分析177 7.3复合材料渐进损伤分析方法180 7.3.1应力计算180 7.3.2复合材料失效准则181 7.3.3材料退化模式184 7.4雷击后复合材料层合板压缩模拟分析185 7.4.1剩余强度分析方法及失效定义185 7.4.2不同铺层的损伤扩展185 7.4.3载荷-位移*线及破坏载荷190 参考文献192 第8章复合材料加筋壁板不同金属网防雷击性能分析194 8.1不同形式金属网194 8.2复合材料加筋壁板金属网雷击防护机理分析195 8.2.1有限元模型及材料参数195 8.2.2金属网雷击烧蚀判断准则197 8.2.3铜网雷击防护分析197 8.2.4不同材料金属网防护性能对比分析199 8.3网格间距影响分析201 8.3.1网格间距的变化对雷击防护效果的影响分析201 8.3.2网格间距的变化对结构增重的影响分析205 8.4复合材料加筋壁板防雷击设计优化206 8.4.1设计优化方法206 8.4.2铜网防护件的设计优化208 8.4.3复合材料基准件的防雷击设计优化214 参考文献216 第9章复合材料加筋壁板汽化反冲和剩余强度分析218 9.1雷击汽化反冲效应218 9.2铜网防护复合材料雷击烧蚀特征218 9.2.1铜网防护件有限元模型218 9.2.2铜网防护件雷击烧蚀计算与试验结果对比220 9.3汽化反冲效应分析221 9.3.1汽化反冲分析方法221 9.3.2汽化反冲有限元模型223 9.3.3计算结果分析224 9.4剩余强度分析232 9.4.1剩余强度分析流程232 9.4.2计算结果分析233 9.5雷电流B分量对复合材料损伤的影响242 参考文献244 第10章复合材料连接结构汽化反冲和铝网防雷击分析246 10.1含螺栓复合材料结构246 10.2复合材料典型连接结构和有限元模型247 10.2.1复合材料连接件247 10.2.2铝网防护下复合材料连接件248 10.3基准件雷击损伤分析249 10.3.1**次雷击烧蚀损伤与汽化反冲分析249 10.3.2第二次雷击烧蚀损伤与汽化反冲分析254 10.4铝网防护复合材料连接件雷击损伤分析258 10.4.1**次雷击烧蚀损伤与汽化反冲分析258 10.4.2第二次雷击烧蚀损伤与汽化反冲分析262 10.5雷击损伤后剩余强度分析267 10.5.1基准件**次雷击后剩余强度分析267 10.5.2基准件第二次雷击后剩余强度分析269 10.5.3铝网防护件**次雷击后剩余强度分析271 10.5.4铝网防护件第二次雷击后剩余强度分析272 10.5.5完整件拉伸失效时的损伤特征274 10.5.6不同工况下的拉伸强度比较276 参考文献276 第11章雷电电弧作用下复合材料喷铝防护性能分析278 11.1复合材料电弧附着特性278 11.1.1复合材料电弧附着模型建立278 11.1.2材料参数和边界条件279 11.1.3计算流程281 11.1.4不同阳极材料电弧激发时间283 11.1.5不同阳极材料电弧运动特性284 11.2复合材料损伤预测及验证286 11.2.1复合材料雷击损伤模式286 11.2.2复合材料损伤预测及机理287 11.3复合材料表面喷铝雷击防护分析290 11.3.1复合材料表面喷铝290 11.3.2无防护基准件雷击损伤292 11.3.3全喷铝雷击防护分析294 11.3.4局部喷铝雷击防护分析296 参考文献299 第12章雷电电弧作用下新型复合薄膜防护性能分析301 12.1镀镍碳纤维/羰基铁粉复合薄膜301 12.2等效材料参数计算302 12.2.1均匀化理论302 12.2.2RVE模型302 12.2.3等效参数计算理论基础304 12.2.4计算流程307 12.2.5等效参数计算结果308 12.3NCF/CIP新型薄膜雷击烧蚀损伤分析315 12.3.1模型建立315 12.3.2放电通道附着特征316 12.3.3有无防护膜的雷击热效应比较318 参考文献321 第13章分段式导流条雷击防护分析323 13.1分段式导流条323 13.2分段式导流条的电压击穿特性324 13.2.1二分段高压击穿模型324 13.2.2电压击穿分析325 13.3分段式导流条击穿电压的影响因素328 13.3.1电压上升速率的影响328 13.3.2金属片段间隙宽度的影响329 13.3.3金属片段几何形状的影响329 13.3.4高电压击穿试验验证332 13.4分段式导流条的高电流击穿特性335 13.4.1高电流击穿模型335 13.4.2结果与讨论337 参考文献343