本文關鍵詞：輕型飛機復合材料壁板雷擊防護結構的CAE建模與性能研究

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【摘要】：碳纖維增強復合材料具有比強度和比模量高、密度低、耐腐蝕性好、結構可設計性強等一系列優(yōu)點,已在航空航天領域得到了日益廣泛的應用,尤其在民航運輸領域中,復合材料在民機設計制造過程中所占的比例迅速增長。統(tǒng)計表明,民航客機每飛行3000小時就存在一次遭受雷擊的風險,在雷雨區(qū)域,遭受雷擊的可能性將會更大。復合材料的電導率較低,若缺乏足夠的防護措施,在遭受雷擊之后,使用復合材料制造的部位通常會出現(xiàn)比傳統(tǒng)金屬框架的飛機更為嚴重的結構損傷,因此,采用大量復合材料制造的新型飛機的雷擊防護是一個對航空運行安全具有重大影響的關鍵問題。本文通過有限元數(shù)值仿真和人工雷擊實驗相結合的方式,研究了在不同防護方式的保護下,碳纖維增強復合材料層壓板在沖擊電流作用下的損傷情形。本文使用三維建模軟件CATIA V5R21建立了層合結構的3D幾何模型,之后將其導入ANSYS Worbench中建立有限元模型,對碳纖維增強復合材料層壓板進行了“電-熱-結構”的多物理場耦合分析,以研究采用不同雷擊防護方式的CFRP層壓板對雷電流的防護效果。此外,本文還利用ANSYS Workbench集成的后處理功能分別獲得了層壓板內(nèi)外的整體應力分布、溫度場、結構整體總變形、單一鋪層變形和熱應力的分布云圖以及變化曲線等結果,得到了雷擊損傷在復合材料層壓板表面和內(nèi)部的主要分布區(qū)域。本文采用樹脂傳遞模塑閉模成型(RTM)工藝,以T300碳纖維為增強體,DR331改性環(huán)氧樹脂為基體制備了復合材料層壓板試件,并在相同測試條件下,進行了人工雷擊實驗。為避免CFRP試件被沖擊電流擊飛而造成安全隱患,本文還使用CATIA設計了一套用于在實驗過程中夾持和固定試件的快速拆裝夾具,并根據(jù)實測結果分析了雷電流對復合材料層壓板造成的局部碳化、纖維斷裂或分層等損傷的原因。最后,本文對仿真和實驗結果進行了總結,同時對復合材料雷擊損傷與雷擊防護未來的發(fā)展方向做出了展望。
【關鍵詞】：碳纖維增強復合材料 雷擊損傷 雷擊防護 有限元分析 實驗驗證
【學位授予單位】：中國民用航空飛行學院
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：V258.3
【目錄】：

• 摘要6-7
• Abstract7-10
• 第一章 緒論10-19
• 1.1 復合材料發(fā)展概述10-12
• 1.2 復合材料的命名和分類12-15
• 1.2.1 復合材料的命名13
• 1.2.2 復合材料的分類13-15
• 1.3 復合材料在航空航天領域的應用15-17
• 1.4 課題研究的背景和意義17-19
• 第二章 碳纖維增強復合材料雷擊損傷仿真分析理論基礎19-51
• 2.1 復合材料有限元分析基礎19-28
• 2.1.1 建立復合材料層壓板的CAD模型20-21
• 2.1.2 復合材料層壓板的網(wǎng)格劃分21-22
• 2.1.3 復合材料本構關系的定義22-25
• 2.1.4 載荷加載與求解25-27
• 2.1.5 雷擊損傷結果的后處理27-28
• 2.2 傳熱理論基礎28-43
• 2.2.1 熱傳導理論基礎28-34
• 2.2.2 對流傳熱理論基礎34-39
• 2.2.3 熱輻射理論基礎39-43
• 2.3 沖擊波實驗理論基礎43-51
• 第三章 碳纖維增強復合材料的熱-電-結構耦合分析51-118
• 3.1 計算平臺的選擇51-53
• 3.2 計算模型的建立53-57
• 3.2.1 碳纖維增強復合材料層壓板坐標系的定義53-55
• 3.2.2 碳纖維復合材料層壓板的有限元模型55-57
• 3.3 碳纖維增強復合材料電流傳導生熱分析57-81
• 3.3.1 復合材料體系58-59
• 3.3.2 電流傳導生熱耦合分析59-81
• 3.4 熱-結構耦合分析81-101
• 3.5 結果與討論101-117
• 3.5.1 沖擊電流作用下溫度場變化趨勢的研究102-104
• 3.5.2 不同防護方式對熱應力和熱應變的影響研究104-117
• 3.6 本章小結117-118
• 第四章 碳纖維增強復合材料雷擊損傷實驗118-131
• 4.1 實驗方案的設計118-122
• 4.2 復合材料層壓板試件的制備122-124
• 4.3 復合材料層壓板夾具的設計124-125
• 4.4 復合材料層壓板沖擊波實驗125-130
• 4.5 本章小結130-131
• 總結與展望131-134
• 參考文獻134-141
• 攻讀碩士學位期間取得的學術成果141-143
• 攻讀碩士學位期間參與的科研項目143-144
• 致謝144

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本文編號：885365