[发明专利]单一雷电流分量作用下碳纤维复合材料损伤仿真计算方法

权利要求书

1.单一雷电流分量作用下碳纤维复合材料损伤仿真计算方法，其特征在于包括如下步骤：

1)、建立碳纤维复合材料雷电流作用下导电特性测量装置，该测量装置包括可控雷电流发生电源(1)、温度环境试验箱(6)和用于测量被试碳纤维复合材料层合板(4)两端的电压和雷电流的脉冲电压取样单元(2)和脉冲电流取样单元(3)，脉冲电压取样单元(2)和脉冲电流取样单元(3)与计算机测控与分析单元(5)相连，计算机测控与分析单元(5)由高速数据采集单元(7)、工业控制计算机(8)和可编程序控制器(9)组成；

所述碳纤维复合材料雷电流作用下导电特性测量装置，被试碳纤维复合材料层合板(4)两端分别引出两对高温电气连接线，可控雷电流发生电源(1)一输出端通过一侧的高温电气连接线与被测试品被试碳纤维复合材料层合板(4)的一端连接，可控雷电流发生电源(1)的另一输出端通过另一侧的高温电气连接线与被试碳纤维复合材料层合板(4)另一端相连并接参考地，脉冲电压取样单元(2)两端分别与被试碳纤维复合材料层合板(4)两侧的另外两根高温电气连接线相连，脉冲电流取样单元(3)套接在被试碳纤维复合材料层合板(4)与可控雷电流发生电源(1)低压端的电连接线上，脉冲电压取样单元(2)和脉冲电流取样单元(3)与计算机测控与分析单元(5)相连；

所述的计算机测控与分析单元(5)包括高速数据采集单元(7)、工业控制计算机(8)和可编程序控制器(9)；

高速数据采集单元(7)与脉冲电压取样单元(2)和脉冲电流取样单元(3)的输出端相连，高速数据采集单元(7)接收来自脉冲电压取样单元(2)和脉冲电流取样单元(3)的信号，并将接收到的电压、电流模拟信号转变成数字信号后传递给工业控制计算机(8)，工业控制计算机(8)经计算得到通过被试碳纤维复合材料层合板(4)的电流信号和两端的电压信号；可编程序控制器(9)与可控雷电流发生电源(1)相连接，工业控制计算机(8)通过可编程序控制器(9)输出模拟信号控制可控雷电流发生电源(1)的输出电流幅值；工业控制计算机(8)与温度环境试验箱(6)相连，对温度环境试验箱(6)的温度设置和升温速率进行控制；

2)、将被试碳纤维复合材料层合板(4)连接在测量装置实验回路中；

3)、设置温度环境试验箱(6)的加热温度，温度范围从室温至250℃，温度范围内至少设置5个试验温度点，即T＝T_i(i＝1，2……m)，m≥5；

4)、设置被试碳纤维复合材料层合板(4)的雷电流试验值在雷电流试验值范围内至少设置不少于5个试验值，即I＝I_j(j＝1，2……n)，n≥5；

5)、控制温度环境试验箱(6)的初始温度升高至温度T₁，计算机测控与分析单元(5)按照设定的雷电流试验的初始放电电流I₁，通过高速数据采集单元(7)和可编程序控制器(9)，控制可控雷电流发生电源(1)的输出电流值达到I_T11，将规定波形、峰值为I_T11的雷电流流过被试碳纤维复合材料层合板(4)；

6)、被试碳纤维复合材料层合板(4)两端的电压和通过的雷电流通过脉冲电压取样单元(2)和脉冲电流取样单元(3)提取，并输至计算机测控与分析单元(5)的高速数据采集单元(7)，计算机测控与分析单元(5)将脉冲电压取样单元(2)和脉冲电流取样单元(3)提取的数据通过高速数据采集单元(7)进行模数转换，计算机测控与分析单元(5)进行数据分析处理，得到被试碳纤维复合材料层合板(4)两端的电压U_T11及初始放电电流I_T11的值；

7)、继续通过计算机测控与分析单元(5)输出控制可编程序控制器(9)使可控雷电流发生电源(1)的输出电流峰值至I₂，重复上述步骤5)，直至雷电流I_m，由此获得温度T₁下被试碳纤维复合材料层合板(4)的一组电流-电压值(I_T11，U_T11)、(I_T12，U_T12)……(I_T1n，U_T1n)；

8)、控制升高温度试验箱的环境温度至T₂，重复步骤4)—步骤6)，获得第二个温度点的一组数据(I_T21，U_T21)、(I_T22，U_T22)……(I_T2n，U_T2n)；

9)、重复步骤4)—步骤7)，直至获得第m个温度点的一组数据(I_Tm1，U_Tm1)、(I_Tm2，U_Tm2)……(I_Tmn，U_Tmn)；

10)、将得到的多组电流-电压值((I_T11，U_T11)、(I_T12，U_T12)……(I_T1n，U_T1n))……((I_Tm1，U_Tm1)、(I_Tm2，U_Tm2)……(I_Tmn，U_Tmn))，进行分析得到被试碳纤维复合材料层合板(4)雷电流和温度两个因子作用下的伏安特性曲线；

11)、将步骤10)得到的伏安特性曲线进行数值拟合，获得碳纤维复合材料温度与雷电流两重因子作用下电导率与雷电流参数以及电导率与温度之间的数学表达式；

12)、按照预先设计的碳纤维复合材料雷电损伤仿真条件，将碳纤维复合材料的电导率按照步骤11)的数学表达式进行外推，计算碳纤维复合材料在规定雷电流峰值的单一雷电流分量作用下的各向异性电导率，雷电流峰值的外推范围最大到100kA至200kA，作为碳纤维复合材料热电耦合模型中材料电导率的初始条件；

13)、设置拟建模仿真的碳纤维复合材料层合板的铺层结构，材料的密度、比热、热导率及机械强度参数；

14)、设置碳纤维复合材料雷电损伤的仿真模型边界条件，包括环境温度、临界温度，雷击作用过程中碳纤维复合材料与周围环境的热传导及辐射系数；

15)、划分碳纤维复合材料热电耦合模型的仿真计算网格，设定注入的雷电流分量参数，仿真计算雷电流与碳纤维复合材料作用过程中存在的热电效应；

16)、在碳纤维复合材料的温度升高到临界值之前，碳纤维复合材料内部树脂尚未发生热解，在仿真计算过程中，以碳纤维复合材料的电导随温度和雷电流两重因子变化的规律作为仿真计算的依据；

17)、当碳纤维复合材料的温度升高到临界值之后，碳纤维复合材料内部树脂出现热解，随着材料热解度的增加，碳纤维复合材料的导电特性、导热特性及机械性能均会发生巨大变化，其导电特性由原来的绝缘或高阻状态转变为良导体，其电导率按照树脂热解后的电导特性进行仿真计算；

18)、根据仿真计算得到的碳纤维复合材料在单一雷电流分量作用下的温度及热解度分布，对其雷电损伤面积和损伤深度进行分析。