多重连续雷电流分量作用下碳纤维复合材料损伤多影响因素的评估方法与流程

本发明属于碳纤维复合材料雷电损伤的评估方法，特别涉及一种多重连续雷电流分量作用下碳纤维复合材料损伤多影响因素的评估方法。
背景技术：
：碳纤维复合材料既具有低密度、高强度、高模量、耐高温、耐化学腐蚀等特性，又具有纺织纤维的柔软可加工性，广泛应用于航空航天、军事及民用工业等各个领域。随着飞机设计的改进和碳纤维复合材料技术的进步，碳纤维增强型聚合物复合材料cfrp(carbonfiberreinforcedpolymers)在大型民用飞机、军用飞机、无人机及隐形飞机上的用量不断增长，从1960年麦道公司dc-9机型上cfrp的用量不足1％，到2011年末波音b787的主翼、尾翼、机体、地板等结构的50％用的是cfrp材料，空客a350xwa上cfrp材料所占的比例达到53％。相比较飞机中传统使用的铝、钢和钛合金材料，cfrp的电传导性能差。一般来讲，cfrp层合板经向方向的电阻率为10-5ω·m量级、横向平面方向的电阻率为10-1ω·m量级、深度/厚度方向的电阻率更大。这就使得cfrp层合板在雷击情况下无法像金属材料那样具有短时间使积累的电荷迅速转移或扩散的能力，这部分积聚的能量以焦耳热的形式使得cfrp温度急剧升高，从而导致cfrp的纤维断裂、树脂热解、深度分层等严重损伤。欧盟和美军标规定了航空器雷电直接的试验要求和雷电流分量，其中雷电分量包括分量a(首次雷电回击分量)或ah(首次雷电回击的过渡分量)、b(中间电流分量)、c/c*(持续电流分量)和d(后续回击分量)电流波，其中雷电流分量a、ah和d波均为峰值高(分别为200ka、150ka、100ka)、上升速率快的雷电流分量；雷电流分量b可以是平均电流2ka、上升时间短、持续时间为几个毫秒的双指数波，也可以是上升较为缓慢的方波电流；雷电流分量c为上升时间缓慢、持续时间几百毫秒的电流波。自cfrp问世以来，诸多学者就将研究热点集中在其机械特性的研究方面，得出了机械冲击参量与cfrp的抗拉伸强度、抗压缩强度及损伤区域和损伤深度之间的关系规律。目前而言，关于碳纤维复合材料雷电损伤的研究获得了越来越广泛的关注，许多研究者在实验手段缺乏的情况下，通过建立单一雷电流分量作用下碳纤维复合材料雷电损伤的热电耦合模型，通过仿真计算初步获得了碳纤维复合材料雷电损伤面积、损伤深度的影响规律。但是，碳纤维复合材料雷电损伤与单一雷电流分量的峰值、上升速率、电荷转移量、比能量以及作用间隙的定量关系并未获得，多重连续雷电流分量的雷电损伤研究文献报道甚少，单一或多重连续雷电流分量的雷电损伤的多影响因素评估方法严重滞后，大大阻碍碳纤维复合材料配方、工艺的研究和性能的提升，因而制约了其在航空航天领域的应用。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种多重连续雷电流分量作用下碳纤维复合材料损伤多影响因素的评估方法，获得碳纤维复合材料雷电损伤面积、损伤深度与多种因素之间的规律，为碳纤维复合材料层合板配方、工艺的研究提供理论依据。为实现上述目的本发明采用如下方案：多重连续雷电流分量作用下碳纤维复合材料损伤多影响因素的评估方法，将包含雷电流a、b、c和d分量的多重连续雷电流的幅值、上升速率、电荷转移量、比能量以及作用间隙距离作为多重连续雷电流分量作用下碳纤维复合材料雷电损伤的影响因素，最终获得雷电流分量的各种影响因素与碳纤维复合材料雷电损伤面积、损伤深度的实验数据，在此基础上，建立碳纤维复合材料雷电损伤面积、损伤深度的多因素综合评估模型，获得碳纤维复合材料雷电损伤面积、损伤深度的多影响因素的影响因子，为碳纤维复合材料层合板配方、工艺的研究提供理论依据。进一步，具体包括如下步骤：步骤一、在作用间隙距离一定的情况下，施加单一雷电流分量、两重雷电流分量、三重雷电流分量、四重雷电流分量、……、多重雷电流分量不同模组的多重连续时序雷电流分量，获得碳纤维复合材料雷电损伤面积、损伤深度的实验数据样本；步骤二、在改变作用间隙距离，施加单一雷电流分量、两重雷电流分量、三重雷电流分量、四重雷电流分量、……、多重雷电流分量不同模组的多重连续时序雷电流分量，获得碳纤维复合材料雷电损伤面积、损伤深度的实验数据样本；步骤三、根据步骤一和步骤二所得到的实验数据样本，建立多重连续时序雷电流分量作用下碳纤维复合材料损伤深度与损伤面积的评估模型，获得碳纤维复合材料雷电损伤深度、损伤面积与多重雷电流分量的峰值、上升速率、转移电荷量、比能量以及作用间隙距离之间的相关规律及其影响因子。进一步，所述步骤一包括如下步骤：1.1)建立包含雷电流a、b、c和d分量的多重连续雷电流发生回路；1.2)固定碳纤维复合材料雷电损伤测试的作用间隙距离，间隙距离在1-10mm之内选定；1.3)设置多重连续雷电流试验中各雷电流分量的试验参数，每个雷电流分量至少设置3个试验电流点，雷电流a分量的电流范围在20-100ka以内设置；雷电流b分量的电流范围在0.2-1ka以内设置；雷电流c分量的电流范围在100-400a以内设置；雷电流d分量的电流范围在10-50ka范围内设置；1.4)进行破坏性雷电流a分量的碳纤维复合材料雷电损伤试验，电流测试点为ia1、ia2和ia3，并用c/b扫描得到碳纤维复合材料的雷电损伤面积sa1、sa2和sa3和损伤深度da1、da2和da3；1.5)进行多重连续雷电流a+b分量的碳纤维复合材料雷电损伤试验，电流测试点为雷电流a分量ia1、ia2、ia3后续雷电流b分量ib1、ib2和ib3，并用c/b扫描得到碳纤维复合材料的雷电损伤面积sab1、sab2和sab3和损伤深度dab1、dab2和dab3；1.6)进行多重连续雷电流a+b+c分量的碳纤维复合材料雷电损伤试验，电流测试点为雷电流a分量ia1、ia2、ia3后续雷电流b分量ib1、ib2和ib3，再后续雷电流c分量ic1、ic2和ic3，并用c/b扫描得到碳纤维复合材料的雷电损伤面积sabc1、sabc2和sabc3和损伤深度dabc1、dabc2和dabc3；1.7)进行多重连续雷电流a+b+c+d分量的碳纤维复合材料雷电损伤试验，电流测试点为雷电流a分量ia1、ia2、ia3后续雷电流b分量ib1、ib2和ib3，再后续雷电流c分量ic1、ic2和ic3和雷电流d分量id1、id2和id3，并用c/b扫描得到碳纤维复合材料的雷电损伤面积sabcd1、sabcd2和sabcd3和损伤深度dabcd1、dabcd2和dabcd3。进一步，所述步骤二包括如下步骤：2.1)建立包含雷电流a、b、c和d分量的多重连续雷电流发生回路；2.2)设定碳纤维复合材料雷电损伤试验的作用间隙距离范围和试验点数m，间隙距离在1-10mm之内选定，m不少于3个；2.3)设置碳纤维复合材料雷电损伤的试验模式和雷电流分量的测试电流值；雷电流a分量的电流范围在20-100ka以内设置；雷电流b分量的电流范围在0.2-1ka以内设置；雷电流c分量的电流范围在100-400a以内设置；雷电流d分量的电流范围在10-50ka范围内设置；2.4)进行预设电流试验值的雷电流a分量的碳纤维复合材料雷电损伤试验，并用c/b扫描得到碳纤维复合材料的雷电损伤面积sad1和损伤深度dad1。2.5)进行预设电流试验值的多重连续雷电流a+b分量的碳纤维复合材料雷电损伤试验，并用c/b扫描得到碳纤维复合材料的雷电损伤面积sabd1和损伤深度dabd1；2.6)进行预设电流试验值的多重连续雷电流a+b+c分量的碳纤维复合材料雷电损伤试验，并用c/b扫描得到碳纤维复合材料的雷电损伤面积sabcd1和损伤深度dabcd1；2.7)进行预设电流试验值的多重连续雷电流a+b+c+d分量的碳纤维复合材料雷电损伤试验，并用c/b扫描得到碳纤维复合材料的雷电损伤面积sabcdd1和损伤深度dabcdd1。进一步，所述步骤三包括如下步骤：3.1)对获得的多重连续雷电流分量作用下碳纤维复合材料的雷电损伤面积(sa1、sa2、sa3)、(sab1、sab2、sab3)、(sabc1、sabc2、sabc3)、(sabcd1、sabcd2、sabcd3)和损伤深度(da1、da2、da3)、(dab1、dab2、dab3)、(dabc1、dabc2、dabc3)、(dabcd1、dabcd2、dabcd3)测试数据进行分析处理，建立多重连续雷电流分量作用下碳纤维复合材料雷电损伤面积、损伤深度与雷电流分量的幅值、上升速率、电荷转移量、比能量之间的雷电损伤评估模型；固定间隙距离条件下，多重连续雷电流分量作用下碳纤维复合材料的雷电损伤面积和损伤深度与雷电流分量参数的关系如公式(1)、(2)所示：公式(1)、(2)中，k1as、k2as、k3as分别为雷电流a分量的上升速率、电荷转移量、比能量对碳纤维复合材料雷电损伤面积的影响因子；(k1bs、k2bs、k3bs)、(k1cs、k2cs、k3cs)、(k1ds、k2ds、k3ds)分别为雷电流b分量、c分量、d分量的上升速率、电荷转移量、比能量对碳纤维复合材料雷电损伤面积的影响因子；同理，k1ad、k2ad、k3ad分别为雷电流a分量的上升速率、电荷转移量、比能量对碳纤维复合材料雷电损伤深度的影响因子；(k1bd、k2bd、k3bd)、(k1cd、k2cd、k3cd)、(k1dd、k2dd、k3dd)分别为雷电流b分量、c分量、d分量的上升速率、电荷转移量、比能量对碳纤维复合材料雷电损伤深度的影响因子；考虑雷电流分量的作用间隙距离对碳纤维复合材料雷电损伤的影响，上述公式变换为：其中，kadd、kbdd、kcdd、kddd分别为对应于作用间隙距离对雷电流a分量、b分量、c分量、d分量雷电损伤的影响因子。3.2)根据多重连续雷电流分量作用下碳纤维复合材料雷电损伤面积和损伤深度，计算出多重连续雷电流分量作用下碳纤维复合材料雷电损伤多因素评估的影响因子，并且根据雷电损伤面积、损伤深度与雷电流分量幅值、上升速率、比能量的关系紧密程度将公式(1)、(2)进行简单优化，对碳纤维复合材料的雷电损伤进行多因素评估，并对碳纤维复合材料雷电损伤的模型进行验证和修正。本发明的多重连续雷电流分量作用下碳纤维复合材料损伤多影响因素的评估方法，研究多重连续雷电流分量作用下，碳纤维复合材料雷电损伤的各种影响因素，获得碳纤维复合材料雷电损伤面积、损伤深度与多重雷电流分量的峰值、上升速率、转移电荷量、比能量以及作用间隙距离之间的相关规律，在此基础上，建立多重连续雷电流分量作用下雷电损伤的多因素评估模型，获得碳纤维复合材料雷电损伤面积、损伤深度与多多重雷电流分量的幅值、上升速率、电荷转移量、比能量、作用间隙距离等多因素的影响因子及其之间的数学表达式，探究碳纤维复合材料的雷电损伤机理，为碳纤维复合材料层合板配方、工艺的研究提供理论依据。附图说明图1是本发明雷电流分量rlc测试回路的原理图。图2是本发明雷电流分量crowbar测试回路的原理图。图3是本发明雷电流分量lc多链网络测试回路的原理图图4是本发明被试品碳纤维复合材料的装夹示意图图5本发明多重连续雷电流分量作用下碳纤维复合材料雷电损伤的试验模式示意图图6是本发明多重雷电流分量作用下碳纤维复合材料雷电损伤的测试流程图图7是本发明多重连续雷电流分量作用下碳纤维复合材料雷电损伤与作用间隙距离影响规律的试验流程图图8是本发明多重连续雷电流分量作用下碳纤维复合材料损伤多影响因素的评估方法流程图图中：1为可控直流充电电源；2为储能电容单元；3为放电开关；4为波形调整电阻；5为波形调整电感；11为上电极棒；12为上电极端头；13为上绝缘端盖；14为铜块；15为弹簧；16为第一螺栓；17为第一螺母；18为垫片；19为绝缘支撑；110为被试品绝缘底座；111为第二螺栓；112为被试品；113为固定绝缘套；114为第二螺母；21为储能电容；31为主放电开关；32为crowbar开关；41为波形形成电阻；51为波形形成电感。具体实施方式下面结合附图及实施例对本发明的原理和计算方法作进一步详细说明。参见图1，本发明雷电流分量的rlc发生电路，可以产生雷电流a分量、ah分量、d分量。图1中，可控直流充电电源1由调压器t1、变压器t2、整流二极管d、充电电阻r2组成；开关s与电阻r3组成储能电容安全泄放回路；储能电容单元2(电容量c)、放电开关3、波形调整电感5(电感量l)、波形调整电阻4(电阻值r)、组成雷电流a分量放电回路。下面以雷电流a分量为例，来说明非线性雷电流a分量回路参数的调整方法，其他雷电流分量回路可以参照此过程进行回路参数的选择。雷电流a分量的满足以下表达式为：i(t)＝i0(e-αt-e-βt)，其中：α＝11354s-1，β＝647265s-1由此计算得到雷电流a分量的上升时间t1和半峰值时间t2分别为：t1＝3.56μst2＝69μs非线性雷电流a分量回路采用rlc电路产生，其回路参数选择按照如下步骤：依据下面的公式(1)：公式(1)中，c为储能电容单元2，l为波形调整电感4，r为波形调整电阻5；u0为储能电容两端的充电电压，t1为雷电流分量的波前时间，im为回路输出电流的峰值，ξ为图2电路的阻尼系数；t1*为波前时间的归一化系数，im*为归一化的峰值系数。公式(1)所说的3个方程中含有4个未知数，因此，方程(1)有无穷多组解。在假定储能电容容量的条件下，可以按照表1选择参数：表1：雷电流a分量回路参数的选择序号电容c电阻r电感l11000.91.42501.82.83253.64.2……………………其他雷电流分量、例如ah分量、d分量可以用上述同样的方法进行设计。参见图2，本发明雷电流分量的crowbar发生回路的原理图，可以用来产生雷电流a分量、ah分量、d分量等。图2中，储能电容21两端的电压由图1所示的可控直流充电电源1进行充电，雷电流分量的放电回路由储能电容21、主放电开关31、crowbar开关32、波形形成电感51、波形形成电阻41组成。主放电开关31和crowbar开关32的换路发生在雷电流分量的电流波峰处，在电流波峰前，主放电开关31闭合，在电流波峰后，主放电开关31断开，crowbar开关32闭合，完成雷电流分量的波尾部分。波形形成电感51和波前形成电阻41的选择依据被试品的阻抗可以调整。参见图3，本发明雷电流分量的lc多链网络发生电路，可以产生雷电流b分量、c分量，为了确保方波电流持续时间内峰值电流的稳定性，一般l-c多链方波回路的链数应大于8，图3中就是lc链数为12的方波电流发生回路。按照标准要求，方波电流的持续时间为5ms，其lc多链网络的回路参数选择按照如下步骤：依据下面的公式(2)：公式(2)中，lσ、cσ分别为电感电容lc链中各链电感l1、l2……、l11、l12和各链电容c1、c2……、c11、c12之和。因此，只要电感电容lc多链回路中电感的电感量和电容的电容量满足方程(1)，就可以产生满足标准规定要求的方波雷电流b分量，可以按照表2选择参数：表2：雷电流b分量回路参数的选择序号总电感l/mf总电容c/μf131.250200215.62540036.250100043.1252000………………图3中，可控直流充电电源由调压器tr、变压器tt、整流二极管d、充电电阻r1组成；开关s与电阻r2组成储能电容安全泄放回路。参见图4，被试品碳纤维复合材料的装夹示意图，上电极棒11与雷电流a分量发生回路的高压输出端相连，上电极端头12、上绝缘端盖13、铜块14、弹簧15将被试品夹紧；第二螺栓111用于将被试品绝缘底座110与绝缘支撑19固定在一起；固定绝缘套113将上电极棒11与上绝缘盖板13固定在一起；第二螺母114用于雷电流分量发生回路与被试品之间的电气连接。参见图5，本发明专利碳纤维复合材料雷电损伤的试验模式，包括：雷击1a区a+b+c*多重雷电流分量，1b区a+b+c+d多重雷电流分量和1c区的ah+b+c*多重雷电流分量，雷击2a区的d+b+c*多重雷电流分量和2b区的d+b+c多重雷电流分量，雷击附着3区的a/5+b+c*多重雷电流分量和雷击传导3区的a+b+c+d多重雷电流分量。参见图6，固定作用间隙多重连续雷电流分量作用下碳纤维复合材料雷电损伤的试验流程如下：1)建立包含雷电流a、b、c和d分量的多重连续雷电流发生回路。2)固定碳纤维复合材料雷电损伤测试的作用间隙距离，可以在1-10mm之内选定。3)设置多重连续雷电流试验中各雷电流分量的试验参数，每个雷电流分量至少设置3个试验电流点。雷电流a分量的电流范围可以在20-100ka以内设置；雷电流b分量的电流范围在0.2-1ka以内设置；雷电流c分量的电流范围在100-400a以内设置；雷电流d分量的电流范围可以在10-50ka范围内设置。4)进行破坏性雷电流a分量的碳纤维复合材料雷电损伤试验，电流测试点为ia1、ia2和ia3，并用c/b扫描得到碳纤维复合材料的雷电损伤面积sa1、sa2和sa3和损伤深度da1、da2和da3。5)进行多重连续雷电流a+b分量的碳纤维复合材料雷电损伤试验，电流测试点为雷电流a分量ia1、ia2、ia3后续雷电流b分量ib1、ib2和ib3，并用c/b扫描得到碳纤维复合材料的雷电损伤面积sab1、sab2和sab3和损伤深度dab1、dab2和dab3。6)进行多重连续雷电流a+b+c分量的碳纤维复合材料雷电损伤试验，电流测试点为雷电流a分量ia1、ia2、ia3后续雷电流b分量ib1、ib2和ib3，再后续雷电流c分量ic1、ic2和ic3，并用c/b扫描得到碳纤维复合材料的雷电损伤面积sabc1、sabc2和sabc3和损伤深度dabc1、dabc2和dabc3。7)进行多重连续雷电流a+b+c+d分量的碳纤维复合材料雷电损伤试验，电流测试点为雷电流a分量ia1、ia2、ia3后续雷电流b分量ib1、ib2和ib3，再后续雷电流c分量ic1、ic2和ic3和雷电流d分量id1、id2和id3，并用c/b扫描得到碳纤维复合材料的雷电损伤面积sabcd1、sabcd2和sabcd3和损伤深度dabcd1、dabcd2和dabcd3。参见图7，本发明多重连续雷电流分量作用下碳纤维复合材料雷电损伤与作用间隙距离影响规律的试验流程如下：1)建立包含雷电流a、b、c和d分量的多重连续雷电流发生回路2)设定碳纤维复合材料雷电损伤试验的作用间隙距离范围(1-10mm)和试验点数m，m至少不少于3个。3)设置碳纤维复合材料雷电损伤的试验模式和雷电流分量的测试电流值。雷电流a分量的电流范围可以在20-100ka以内设置；雷电流b分量的电流范围在0.2-1ka以内设置；雷电流c分量的电流范围在100-400a以内设置；雷电流d分量的电流范围可以在10-50ka范围内设置。4)进行预设电流试验值的雷电流a分量的碳纤维复合材料雷电损伤试验，并用c/b扫描得到碳纤维复合材料的雷电损伤面积sad1和损伤深度dad1。5)进行预设电流试验值的多重连续雷电流a+b分量的碳纤维复合材料雷电损伤试验，并用c/b扫描得到碳纤维复合材料的雷电损伤面积sabd1和损伤深度dabd1。6)进行预设电流试验值的多重连续雷电流a+b+c分量的碳纤维复合材料雷电损伤试验，并用c/b扫描得到碳纤维复合材料的雷电损伤面积sabcd1和损伤深度dabcd1。7)进行预设电流试验值的多重连续雷电流a+b+c+d分量的碳纤维复合材料雷电损伤试验，并用c/b扫描得到碳纤维复合材料的雷电损伤面积sabcdd1和损伤深度dabcdd1。参见图8，多重连续雷电流分量作用下碳纤维复合材料雷电损伤的多影响因素评估方法如下：1)对获得的多重连续雷电流分量作用下碳纤维复合材料的雷电损伤面积(sa1、sa2、sa3)、(sab1、sab2、sab3)、(sabc1、sabc2、sabc3)、(sabcd1、sabcd2、sabcd3)和损伤深度(da1、da2、da3)、(dab1、dab2、dab3)、(dabc1、dabc2、dabc3)、(dabcd1、dabcd2、dabcd3)测试数据进行分析处理，建立多重连续雷电流分量作用下碳纤维复合材料雷电损伤面积、损伤深度与雷电流分量的幅值、上升速率、电荷转移量、比能量等参数之间的雷电损伤评估模型。2)固定间隙距离条件下，多重连续雷电流分量作用下碳纤维复合材料雷电损伤的影响因素包括：雷电流分量的峰值、上升速率、电荷转移量和比能量，但电流峰值与电荷转移量、比能量直接相关，则碳纤维复合材料的雷电损伤面积和损伤深度与雷电流分量参数的关系如公式(1)、(2)所示：公式(1)、(2)中，k1as、k2as、k3as分别为雷电流a分量的上升速率、电荷转移量、比能量对碳纤维复合材料雷电损伤面积的影响因子；(k1bs、k2bs、k3bs)、(k1cs、k2cs、k3cs)、(k1ds、k2ds、k3ds)分别为雷电流b分量、c分量、d分量的上升速率、电荷转移量、比能量对碳纤维复合材料雷电损伤面积的影响因子；同理，k1ad、k2ad、k3ad分别为雷电流a分量的上升速率、电荷转移量、比能量对碳纤维复合材料雷电损伤深度的影响因子；(k1bd、k2bd、k3bd)、(k1cd、k2cd、k3cd)、(k1dd、k2dd、k3dd)分别为雷电流b分量、c分量、d分量的上升速率、电荷转移量、比能量对碳纤维复合材料雷电损伤深度的影响因子。从上述公式(1)和(2)可知，两个方程有24个未知数，因此，至少需要12个测试点的雷电损伤面积、损伤深度的测试数据，折合到每一个雷电流分量，测试点不少于3个；如果要验证多重连续雷电流分量作用下碳纤维复合材料雷电损伤多因素影响因子的稳定性，每一个雷电流分量测试数据点还应该继续增加，比如测试点不少于4个。3)考虑雷电流分量的作用间隙距离对碳纤维复合材料雷电损伤的影响，上述公式变换为：其中，kadd、kbdd、kcdd、kddd分别为对应于作用间隙距离对雷电流a分量、b分量、c分量、d分量雷电损伤的影响因子。从上述公式(3)和(4)可知，两个方程有32个未知数，因此，至少需要16个测试点的雷电损伤面积、损伤深度的测试数据；如果要验证多重连续雷电流分量作用下碳纤维复合材料雷电损伤多因素影响因子的稳定性，每一个雷电流分量测试数据点还应该继续增加。根据多重连续雷电流分量作用下碳纤维复合材料雷电损伤面积和损伤深度，可以计算出多重连续雷电流分量作用下碳纤维复合材料雷电损伤多因素评估的影响因子，并且根据雷电损伤面积、损伤深度与雷电流分量幅值、上升速率、比能量的关系紧密程度，可以将公式(1)、(2)进行简单优化，快速地对碳纤维复合材料的雷电损伤进行多因素评估，并对碳纤维复合材料雷电损伤的模型进行验证和修正。最后应该说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。当前第1页12