CN109781777A - 非破坏雷电流分量作用下碳纤维复合材料温度特性测量、校准方法和测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种非破坏雷电流分量作用下碳纤维复合材料温度特性测量、校准方法和测试系统，采用瞬态温度测试单元在线监测雷电流分量作用下被试碳纤维复合材料层合板的温度变化，以及采用碳纤维复合材料的热电耦合模型计算温度特性；分析碳纤维复合材料测量和计算两种温度特性方法之间的差异，用得到的被试碳纤维复合材料层合板的非线性电导特性作为调控量，对碳纤维的热电耦合模型进行调控，得到被试碳纤维复合材料层合板的计算温度特性与温度测试仪测试的温度特性相接近的结果，为高强度雷电流分量作用下被试碳纤维复合材料层合板雷电直接效应的热电耦合模型的建模、计算结果和雷电损伤的机理研究提供基础理论支撑。

Description

非破坏雷电流分量作用下碳纤维复合材料温度特性测量、校 准方法和测试系统

技术领域

本发明属于碳纤维复合材料动态特性的测量技术，涉及一种非破坏雷电流分量作用下碳纤维复合材料温度特性测量、校准方法和测试系统。

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(CarbonFiber Reinforced Polymers)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。

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。但是，雷电对飞机的直接效应包含着大电流引发的高压冲击波、磁场力及焦耳热效应，因此，雷电对被试碳纤维复合材料层合板的雷击损伤作用与机械冲击损伤存在着巨大差异。美国机动工程师协会SAE、美国军用标准MIL STD和欧洲民航组织EUROCAE对飞机及其部件的雷电直接效应的试验波形和试验方法做了详细规定，但被试碳纤维复合材料层合板雷电直接效应的试验波形和试验方法并未做出规定。

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A分量作用下碳纤维复合材料雷电损伤的热电耦合模型，通过仿真计算获得了碳纤维复合材料的温度特性，然后根据温升情况推测碳纤维复合材料的雷电损伤面积、损伤深度的影响规律。一方面，此仿真模型一般是以温度的临界值或者电导随热解度变化的规律而建立的，且热电耦合模型的初始条件将CFRP层合板设置为各向异性的纯电阻模型，电导参数设置为直流小电流下的静态电导率，但忽略了雷电流作用下碳纤维复合材料电导率与静态直流小电流的显著差异，以及碳纤维复合材料雷电流作用下的非线性特征，尤其值得指出的是忽略了温度对CFRP动态电导特性的影响，使得仿真计算的结果与实际雷击下的雷电损伤存在较大差异。发明专利ZL2015104538855公开了“碳纤维复合材料非破坏性雷电流作用下阻抗特性测量方法及测量装置”，相关文献的研究结果也表明：碳纤维复合材料由于其结构、工艺特性，在雷电流作用下其电导率呈现明显的非线性特性，而且温度对其电导特性也有显著的影响；另一方面，在高强度雷电流分量作用下碳纤维复合材料的仿真温度特性、雷电损伤是否正确无法得到校验，计算结果的可靠性无法考核。

发明内容

本发明的目的在于提供一种非破坏雷电流分量作用下碳纤维复合材料温度特性测量、校准方法和测试系统，为高强度雷电流分量作用下被试碳纤维复合材料层合板雷电直接效应的热电耦合模型的建模、计算结果和雷电损伤的机理研究提供基础理论支撑。

为实现上述目的本发明采用如下方案：

非破坏雷电流分量作用下碳纤维复合材料温度特性测量系统，包括可控雷电流分量发生电源、可控雷电流分量发生电源的控制和测量单元、瞬态温度测试单元、热电耦合仿真计算平台、脉冲电压传感器和脉冲电流传感器；

被试碳纤维复合材料层合板两端分别引出两对电气连接线，可控雷电流分量发生电源一输出端通过一侧的电气连接线与被测试品被试碳纤维复合材料层合板的一端连接，可控雷电流分量发生电源的另一输出端通过另一侧的电气连接线与被试碳纤维复合材料层合板另一端相连并接参考地，脉冲电压传感器两端分别与被试碳纤维复合材料层合板两侧的另外两根电气连接线相连，脉冲电流传感器套接在被试碳纤维复合材料层合板与可控雷电流分量发生电源低压端的电连接线上，脉冲电压传感器和脉冲电流传感器的输出端与可控雷电流分量发生电源的控制和测量单元相连；

采用瞬态温度测试单元在线监测雷电流分量作用下被试碳纤维复合材料层合板的温度特性，同时采用碳纤维复合材料的热电耦合模型，计算雷电流分量作用下被试碳纤维复合材料层合板的温度特性。

进一步，所述瞬态温度测试单元采用红外热像测量仪。

非破坏雷电流分量作用下碳纤维复合材料温度特性测量、校准方法，其特征在于包括以下步骤：

1)、将被试碳纤维复合材料层合板接入可控雷电流分量发生电源中；

2)、在试验电流范围内设置多个电流幅值点，即I＝I_j(j＝1,2……n)；

3)、启动控制和测量单元按照设定的放电电流幅值I₁，控制可控雷电流分量发生电源输出预设放电电流值，规定波形、幅值电流为I₁的雷电流流过被试碳纤维复合材料层合板；

4)、采用瞬态温度测试单元在线测量雷电流I₁条件下被试碳纤维复合材料层合板的温度特性；

5)、建立被试碳纤维复合材料层合板的热电耦合模型并计算雷电流I₁下碳纤维复合材料的温度特性；

6)、继续控制可控雷电流分量发生电源输出下一个电流值I₂流经被试碳纤维复合材料层合板，重复上述过程步骤4)和步骤5)，……直到获得雷电流I_n作用下瞬态温度测试单元测量结果和碳纤维复合材料热电耦合模型的计算结果；

7)、根据雷电流I₁……I_n作用下瞬态温度测试单元测量结果和热电耦合模型的计算数据，进行对比分析，得到测量结果与计算结果的差异；

8)、如果差异大于5％，则根据碳纤维复合材料的非线性电导对热电耦合模型进行调控，重新进行热电耦合模型的计算，直到计算结果与瞬态温度测试单元测试的温度特性差异不大于5％为止。

进一步，碳纤维复合材料的非线性电导特性的测试方法如下：

2.1)、将被试碳纤维复合材料层合板接入雷电流分量发生电源中；

2.2)、在试验电流范围内至少设置个电流幅值点，即I＝I_j(j＝1,2……n)，n至少为5；

2.3)、控制和测量单元按照设定的放电电流幅值I₁，控制可控雷电流分量发生电源输出预设放电电流值，规定波形、幅值电流为I₁的雷电流流过被试碳纤维复合材料层合板；

2.4)、被试碳纤维复合材料层合板两端的脉冲电压和流经的雷脉冲电流通过脉冲电压传感器和脉冲电流传感器提取，并输至控制和测量单元进行数据分析处理，得到被试碳纤维复合材料层合板两端的电压U₁及放电电流I₁的值；

2.5)、继续控制可控雷电流分量发生电源输出下一个电流值I₂流经被试碳纤维复合材料层合板，将脉冲电压和流经的雷脉冲电流通过脉冲电压传感器和脉冲电流传感器提取，并输至控制和测量单元进行数据分析处理，得到被试碳纤维复合材料层合板两端的电压U₂及放电电流I₂的值，重复步骤2.5)……，直到得到被试碳纤维复合材料层合板两端的电压U_n及放电电流I_n为止；

2.6)、将得到的一组电流-电压值(I₁，U₁)、(I₂，U₂)……(I_n，U_n)数据拟合得到被试碳纤维复合材料层合板的非线性电导曲线，得到碳钎维复合材料的非线性电导特性。

进一步，所述步骤5)中建立被试碳纤维复合材料层合板的热电耦合模型过程是：

3.1)、设置碳纤维复合材料层合板的初始电导率以及铺层结构、材料的密度、比热、导热率和机械强度参数；

3.2)、设置碳纤维复合材料热电耦合仿真模型的边界条件，包括环境温度以及非破坏雷电流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；

3.3)、划分碳纤维复合材料热电耦合模型的仿真计算网格，设定注入雷电流分量的参数，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得到雷电流作用下碳纤维复合材料的温度特性。

进一步，所述步骤2)中在试验电流范围内设置至少5个电流幅值点，即I＝I_j(j＝1,2……n)，n≥5。

本发明具有以下有益效果：

本发明非破坏雷电流分量作用下碳纤维复合材料温度特性测量系统，包括可控雷电流分量发生电源及其控制、测量单元，瞬态温度测试单元和碳纤维温度特性的热电耦合仿真计算平台，为测量和计算碳纤维复合材料温度特性提供平台。

本发明的非破坏雷电流分量作用下碳纤维复合材料温度特性测量、校准方法，通过测量流经被试碳纤维复合材料层合板的电流及其两端的电压，得到雷电流幅值与被试碳纤维复合材料层合板的非线性电导特性。同时，采用瞬态温度测试单元在线监测雷电流分量作用下被试碳纤维复合材料层合板的温度变化，以及采用碳纤维复合材料的热电耦合模型计算雷电流分量作用下被试碳纤维复合材料层合板的温度特性；分析碳纤维复合材料测量和计算两种温度特性方法之间的差异，用得到的被试碳纤维复合材料层合板的非线性电导特性作为调控量，对碳纤维的热电耦合模型进行调控，得到被试碳纤维复合材料层合板的计算温度特性与温度测试仪测试的温度特性相接近的结果，为高强度雷电流分量作用下被试碳纤维复合材料层合板雷电直接效应的热电耦合模型的建模、计算结果和雷电损伤的机理研究提供基础理论支撑。

附图说明

图1是本发明测试装置的结构框图；

图2是本发明被试碳纤维复合材料层合板非线性电导特性的测量方法流程图；

图3是本发明被试碳纤维复合材料层合板热电耦合模型的计算平台流程图；

图4是本发明被试碳纤维复合材料层合板温度特性的测量校准方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。

参见图1，本发明的测试系统包括可控雷电流分量发生电源1，控制和测量单元2，瞬态温度测试单元3，热电耦合仿真计算平台4，脉冲电压传感器6和脉冲电流传感器7。被试碳纤维复合材料层合板5两端分别引出两对电气连接线HV1、HV2和LV1、LV2。可控雷电流分量发生电源1的一输出端通过电气连接线HV1与被试碳纤维复合材料层合板5的一端连接，被试碳纤维复合材料层合板5的另一端通过电气连接线LV1与可控雷电流分量发生电源1的另一端相连并接参考地。

脉冲电压传感器6的高压端通过电气连接线HV2与被试碳纤维复合材料层合板5的高压端相连，脉冲电压传感器6的低压端通过电气连接线LV2与被试碳纤维复合材料层合板5的低压端相连。脉冲电流传感器7套接在被试碳纤维复合材料层合板5与可控雷电流分量发生电源1低压端的电连接线上，脉冲电压传感器6和脉冲电流传感器7的输出到可控雷电流分量发生电源1的控制和测量单元2。

其中瞬态温度测试单元3选用国内外认可的红外热像测量仪，如美国FLUKE等系列产品。

参见图2，本发明的被试碳纤维复合材料层合板非线性电导特性的测量方法如下：

1)将被试碳纤维复合材料层合板5接入雷电流分量发生电源中；

2)在试验电流范围内至少设置5个电流幅值点，即I＝I_j(j＝1,2……n)，n至少为5；

3)控制和测量单元2按照设定的放电电流幅值I₁，控制可控雷电流分量发生电源输出预设放电电流值，规定波形、幅值电流为I₁的雷电流流过被试碳纤维复合材料层合板5；

4)被试碳纤维复合材料层合板5两端的脉冲电压和流经的雷脉冲电流通过脉冲电压传感器和脉冲电流传感器提取，并输至控制和测量单元2进行数据分析处理，得到被试碳纤维复合材料层合板5两端的电压U₁及放电电流I₁的值；

5)继续控制可控雷电流分量发生电源1输出下一个电流值I₂流经被试碳纤维复合材料层合板5，将脉冲电压和流经的雷脉冲电流通过脉冲电压传感器和脉冲电流传感器提取，并输至控制和测量单元2进行数据分析处理，得到被试碳纤维复合材料层合板5两端的电压U₂及放电电流I₂的值，重复此步骤……，直到得到被试碳纤维复合材料层合板5两端的电压U_n及放电电流I_n为止；

6)将得到的一组电流-电压值(I₁，U₁)、(I₂，U₂)……(I_n，U_n)数据连接拟合，就可以得到被试碳纤维复合材料层合板5的非线性电导特性曲线，得到碳纤维复合材料层合板的非线性电导特性；

参见图3，本发明的被试碳纤维复合材料层合板热电耦合模型的计算方法是：

(1)设置拟建模仿真的碳纤维复合材料层合板温度特性的初始电导率；

(2)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；

(3)、设置碳纤维复合材料雷电损伤的仿真模型边界条件，包括环境温度以及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；

(4)、划分碳纤维复合材料层合板热电耦合模型的仿真计算网格；

(5)设定注入雷电流分量的波形参数，计算获得雷电流与碳纤维复合材料作用过程中存在的热电效应。

参见图4，本发明的被试碳纤维复合材料层合板温度特性的测量、校准方法如下：

1)将被试碳纤维复合材料层合板5接入雷电流分量发生电源中。

2)在试验电流范围内至少设置5个电流幅值点，即I＝I_j(j＝1,2……n)，n至少为5。

3)启动控制和测量单元2按照设定的放电电流幅值I₁，控制可控雷电流分量发生电源输出预设放电电流值，规定波形、幅值电流为I₁的雷电流流过被试碳纤维复合材料层合板5。

4)采用瞬态温度测试仪在线测量雷电流I₁条件下被试碳纤维复合材料层合板的温度特性。

5)建立被试碳纤维复合材料层合板的热电耦合模型并计算雷电流I₁下碳纤维复合材料的温度特性。

6)继续控制可控雷电流分量发生电源1的输出下一个电流值I₂流经被试碳纤维复合材料层合板5，重复上述过程4)和5)，……直到获得雷电流I_n作用下瞬态温度测试仪测量结果和碳纤维复合材料热电耦合模型的计算结果。

7)根据雷电流I₁……I_n作用下瞬态温度测试仪测量结果和热电耦合模型的计算数据，进行对比分析，得到测量结果与计算结果的差异。

8)如果差异大于5％，则应用图2所示得到的碳纤维复合材料的非线性电导特性对热电耦合模型进行调控，重新进行热电耦合模型的计算，直到计算结果与瞬态温度测试仪测试的温度特性接近为止。

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。

Claims (6)

1.非破坏雷电流分量作用下碳纤维复合材料温度特性测量系统，其特征在于：包括可控雷电流分量发生电源(1)、可控雷电流分量发生电源(1)的控制和测量单元(2)、瞬态温度测试单元(3)、热电耦合仿真计算平台(4)、脉冲电压传感器(6)和脉冲电流传感器(7)；

被试碳纤维复合材料层合板(5)两端分别引出两对电气连接线，可控雷电流分量发生电源(1)一输出端通过一侧的电气连接线与被测试品被试碳纤维复合材料层合板(5)的一端连接，可控雷电流分量发生电源(1)的另一输出端通过另一侧的电气连接线与被试碳纤维复合材料层合板(5)另一端相连并接参考地，脉冲电压传感器(6)两端分别与被试碳纤维复合材料层合板(5)两侧的另外两根电气连接线相连，脉冲电流传感器(7)套接在被试碳纤维复合材料层合板(5)与可控雷电流分量发生电源(1)低压端的电连接线上，脉冲电压传感器(6)和脉冲电流传感器(7)的输出端与可控雷电流分量发生电源(1)的控制和测量单元(2)相连；

采用瞬态温度测试单元(3)在线监测雷电流分量作用下被试碳纤维复合材料层合板的温度特性，同时采用热电耦合仿真计算平台4计算雷电流分量作用下被试碳纤维复合材料层合板的温度特性。

2.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于：所述瞬态温度测试单元(3)采用红外热像测量仪。

3.基于权利要求1测量系统的非破坏雷电流分量作用下碳纤维复合材料温度特性测量、校准方法，其特征在于包括以下步骤：

1)、将被试碳纤维复合材料层合板(5)接入可控雷电流分量发生电源(1)中；

2)、在试验电流范围内设置多个电流幅值点，即I＝I_j(j＝1,2……n)；

3)、启动控制和测量单元(2)按照设定的放电电流幅值I₁，控制可控雷电流分量发生电源输出预设放电电流值，规定波形、幅值电流为I₁的雷电流流过被试碳纤维复合材料层合板(5)；

4)、采用瞬态温度测试单元(3)在线测量雷电流I₁条件下被试碳纤维复合材料层合板的温度特性；

5)、建立被试碳纤维复合材料层合板的热电耦合模型并计算雷电流I₁下碳纤维复合材料的温度特性；

6)、继续控制可控雷电流分量发生电源(1)输出下一个电流值I₂流经被试碳纤维复合材料层合板(5)，重复上述过程步骤4)和步骤5)，……直到获得雷电流I_n作用下瞬态温度测试单元(3)测量结果和碳纤维复合材料热电耦合模型的计算结果；

7)、根据雷电流I₁……I_n作用下瞬态温度测试单元(3)测量结果和热电耦合模型的计算数据，进行对比分析，得到测量结果与计算结果的差异；

8)、如果差异大于5％，则根据碳纤维复合材料的非线性电导对热电耦合模型进行调控，重新进行热电耦合模型的计算，直到计算结果与瞬态温度测试单元(3)测试的温度特性差异不大于5％为止。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于碳纤维复合材料的非线性电导特性的测试方法如下：

2.1)、将被试碳纤维复合材料层合板(5)接入雷电流分量发生电源中；

2.2)、在试验电流范围内至少设置(5)个电流幅值点，即I＝I_j(j＝1,2……n)，n至少为5；

2.3)、控制和测量单元(2)按照设定的放电电流幅值I₁，控制可控雷电流分量发生电源输出预设放电电流值，规定波形、幅值电流为I₁的雷电流流过被试碳纤维复合材料层合板(5)；

2.4)、被试碳纤维复合材料层合板(5)两端的脉冲电压和流经的雷脉冲电流通过脉冲电压传感器和脉冲电流传感器提取，并输至控制和测量单元(2)进行数据分析处理，得到被试碳纤维复合材料层合板(5)两端的电压U₁及放电电流I₁的值；

2.5)、继续控制可控雷电流分量发生电源(1)输出下一个电流值I₂流经被试碳纤维复合材料层合板(5)，将脉冲电压和流经的雷脉冲电流通过脉冲电压传感器和脉冲电流传感器提取，并输至控制和测量单元(2)进行数据分析处理，得到被试碳纤维复合材料层合板(5)两端的电压U₂及放电电流I₂的值，重复步骤2.5)……，直到得到被试碳纤维复合材料层合板(5)两端的电压U_n及放电电流I_n为止；

2.6)、将得到的一组电流-电压值(I₁，U₁)、(I₂，U₂)……(I_n，U_n)数据拟合得到被试碳纤维复合材料层合板(5)的非线性电导曲线，得到碳纤维复合材料层合板(5)的非线性电导特性。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述步骤5)中建立被试碳纤维复合材料层合板的热电耦合模型过程是：

3.1)、设置碳纤维复合材料层合板的初始电导率以及铺层结构、材料的密度、比热、导热率和机械强度参数；

3.2)、设置碳纤维复合材料热电耦合仿真模型的边界条件，包括环境温度以及非破坏雷电流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；

3.3)、划分碳纤维复合材料热电耦合模型的仿真计算网格，设定注入雷电流分量的参数，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得到雷电流作用下碳纤维复合材料的温度特性。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述步骤2)中在试验电流范围内设置至少5个电流幅值点，即I＝I_j(j＝1,2……n)，n≥5。