当复合材料遭遇雷击时,复合材料会同时受到电-热-力的耦合作用。根据焦耳热定律,雷电流流过时由材料电阻产生的大量焦耳热量使材料温度上升,导致材料出现烧蚀损伤。烧蚀损伤也会使材料的导电性和导热性能降低。受到雷击作用后,复合材料的性能必然会下降,因此还需要对雷击后复合材料的剩余强度进行分析,定量计算雷击对复合材料承载力的影响。
对复合材料的雷击分析可以分为两个步骤
1 电-热强耦合分析
2 考虑初始烧蚀损伤的复合材料渐进损伤分析。
电-热强耦合分析
电流流过导体的过程中,所耗散的能量会转化为热能,即产生焦耳热。电场控制方程为
电流流过导体耗散的能量可以通过焦耳定律描述
热流密度可以表示为
这里假设耗散的电能全部转换为热量,则ηv=1.
热传导方程可以用下式描述
美国军用标准给出了雷电载荷的波形
选取电流幅值最大的A段作为初始雷击进行分析,A段电流可以用下式描述
A段电流波形如下
最后
建立如图所示的平板进行电-热耦合分析
可以得到平板中心点处不同时间的温度分布如图所示
考虑初始烧蚀损伤的复合材料渐进损伤分析
通过电-热耦合分析得到温度场后,可以根据温度场确定雷击导致的烧蚀区域。通过USDFLD子程序标记烧蚀的单元,并将其损伤设置为1.然后结合UMAT子程序,采用hashin准则https://www.jishulink.com/content/post/1206124对含初始损伤的复合材料平板进行渐进损伤分析,以获得其剩余强度。计算得到的损伤云图和载荷位移曲线如图所示。
可以发现,在拉伸载荷作用下,复合材料从雷击点处开始发生破坏,失效过程与中心开孔板类似。通过修改不同的电流峰值,可以定量得到雷击对复合材料强度的影响。
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