飞机复合材料加筋壁板的雷击损伤模型及应用研究

In order to meet anti-lightning strike design requirement of advanced composite structures such as composite reinforced panels, damage mechanics will be studied by lightning strike test and advanced non-destructive testing method,etc. Through building anisotropic state function of three phases, rate composite constitutive relation considering temperature effect and interface failure model considering temperature effect, dynamical damage model of composite reinforced panel subject to lightning strike will be put forward. Trough studying data transmission and dynamical mess technique of fluid-solid coupling, vaporization shock back and thermal shock wave effects will be studied and damage assessment technique under thermal-mechanical shock of lightning will be formed. Parameters of lightning current and material physical property will be studied how to influence on damage extent of composite reinforced panel by lightning test and numerical analysis. Residual prediction method of composite reinforced panel after lightning strike will be studied by mechanical test. Multidisciplinary optimization technique will be used to design composite reinforced panel for anti-lightning strike and verified by lightning strike test, in which optimization precision and efficiency questions will be solved. Through the study of this project, damage mechanics difficulty of composite reinforced panel subject to lightning strike will be overcome. The whole model theory, damage assessment technique and safety prediction method under thermal-mechanical shock of composite reinforced panel subject to lightning strike will be systematically built and applied to engineering practice.

针对先进飞机复合材料结构防雷击设计的需求，本项目基于雷击试验和先进的无损检测手段等研究复合材料加筋壁板的雷击损伤机理；通过建立各向异性的三相物态方程、考虑温度影响的复合材料率型本构关系和考虑温度影响的界面失效模型，提出复合材料加筋壁板的雷击动态损伤模型；通过研究雷击流固耦合的数据传递和动网格技术，研究复合材料加筋壁板的雷击汽化反冲和热激波效应,形成在雷击热力冲击下的损伤评估技术；基于雷击试验和数值分析研究雷电流和材料物理属性参数对复合材料加筋壁板雷击损伤程度的影响，基于力学性能试验研究雷击后复合材料加筋壁板剩余强度的预测方法；采用多学科优化技术进行复合材料加筋壁板的防雷击设计并通过雷击实验验证，解决优化精度和效率的问题。通过本项目的研究力求突破复合材料加筋壁板雷击损伤机理的瓶颈，系统建立其在雷击热力冲击下完整的理论模型体系、损伤评估技术和安全性预测方法，并实现工程应用。

本项目以飞机复合材料结构防雷击设计需求为背景，基于雷击试验和超声C扫描等检测手段研究了复合材料加筋壁板的雷击损伤机理。建立了各向异性的三相物态方程、考虑温度影响的复合材料率型本构关系和考虑温度影响的界面失效模型，提出了复合材料加筋壁板的雷击动态损伤模型。建立了雷击磁流体动力学模型，研究了雷击等离子体通道的放电机理、形成过程和形状演变等，结果表明：通道中段出现弯曲和箍缩，通道温度沿径向逐渐降低并以超声速在空中生长，电流密度主要集中在通道中心并随时间变化而逐渐降低。研究了雷击放电通道与复合材料加筋壁板的多场耦合方法，形成了非匹配网格间的数据传递技术和网格重构法的高精度动网格技术，实现了雷击复合材料加筋壁板的耦合交互求解。通过相关子程序的开发，模拟研究了复合材料加筋壁板的雷击损伤响应和三相转换过程，结果表明：建立的物态方程、损伤模型和多场耦合方法等可较好的模拟复合材料加筋壁板在雷击热力冲击下的损伤响应，在雷击附着区有明显的单元翘起、鼓包和凹陷。结合雷击试验和数值模拟研究了雷电流波形参数和材料物理参数对复合材料雷击损伤效应的影响。结果表明：雷电流参数如峰值、作用积分和材料物理参数如比热、电导率等对雷击损伤影响较大，而材料热导率对损伤影响较小。开展了复合材料加筋壁板雷击后的剩余强度试验，并结合全程分析法模拟预测了加筋壁板雷击后的剩余强度，结果表明：雷击后复合加筋壁板的剩余强度约在80%左右。建立了复合材料加筋壁板的防雷击优化模型，以铺层角度和铺层厚度等为设计变量，以雷击损伤体积和结构重量等最小为优化目标，采用多岛遗传优化算法等解决了复合材料加筋壁板防雷击的设计优化问题，并评估了优化后结构的损伤尺寸，验证了优化结果的有效性。本项目突破了复合材料加筋壁板雷击损伤机理的瓶颈，系统建立了其在雷击热力冲击下完整的理论模型体系、损伤评估技术和安全性预测方法，并实现了工程应用。