本發(fā)明涉及航空航天領(lǐng)域，具體涉及一種三維機織復(fù)合材料雷擊損傷預(yù)測裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、三維機織復(fù)合材料相較于傳統(tǒng)的層合板復(fù)合材料，由于厚度方向紗線的引入，在具有高比強度、高比模量、耐疲勞、抗腐蝕、可設(shè)計性強等優(yōu)點的同時，又很好地提高了復(fù)合材料層間應(yīng)能。目前，三維機織復(fù)合材料已逐步應(yīng)用飛機發(fā)動機葉片，成為發(fā)動機葉片最優(yōu)選擇。

2、然而，碳纖維復(fù)合材料的導(dǎo)電性能比常用金屬材料低幾個數(shù)量級，在雷電作用下容易發(fā)生損傷，且風(fēng)扇葉片由于是旋轉(zhuǎn)件，無法像飛機一樣在葉片上布設(shè)雷電防護(hù)層，具有嚴(yán)重的安全隱患。特別是國際最新研制的下一代渦扇發(fā)動機采用開式復(fù)合材料風(fēng)扇結(jié)構(gòu)，在飛機運行時風(fēng)扇葉片遭雷擊的機率明顯增高。此外，碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件雷擊安全是一項重要的適航安全條款要求，因此，需要對三維機織復(fù)合材料進(jìn)行雷電損傷評估。

3、然而現(xiàn)有的雷擊損傷預(yù)測方法均針對復(fù)合材料層合板，并不適用于三維機織復(fù)合材料，即現(xiàn)有方法難以全面地評估三維機織復(fù)合材料在雷擊下的性能和損傷。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明是為了解決上述問題而進(jìn)行的，目的在于提供一種三維機織復(fù)合材料雷擊損傷預(yù)測裝置及方法。

2、本發(fā)明提供了一種三維機織復(fù)合材料雷擊損傷預(yù)測裝置，用于得到三維機織復(fù)合材料的雷擊損傷結(jié)果，具有這樣的特征，包括：關(guān)鍵區(qū)域模型構(gòu)建模塊，用于獲取三維機織復(fù)合材料的參數(shù)，并根據(jù)參數(shù)構(gòu)建關(guān)鍵區(qū)域模型；非關(guān)鍵區(qū)域模型構(gòu)建模塊，用于根據(jù)三維機織復(fù)合材料構(gòu)建宏觀均勻模型作為非關(guān)鍵區(qū)域模型；耦合模塊，用于將關(guān)鍵區(qū)域模型和非關(guān)鍵區(qū)域模型綁定耦合，得到三維機織復(fù)合材料板模型；數(shù)據(jù)輸入模塊，用于輸入邊界條件、雷電流載荷和熱輻射條件；雷擊計算模塊，用于根據(jù)邊界條件、雷電流載荷、熱輻射條件和三維機織復(fù)合材料板模型，計算得到損傷面積和損傷深度作為雷擊損傷結(jié)果，其中，雷擊計算模塊包括：變量計算單元，用于根據(jù)每個時間步的邊界條件、雷電流載荷、熱輻射條件和三維機織復(fù)合材料板模型，計算得到該時間步的電場強度、電勢、電流密度和溫度；擊穿判定單元，存儲有介電擊穿強度，用于在每個時間步后根據(jù)電勢，判斷三維機織復(fù)合材料板模型各部位的電勢差是否大于等于介電擊穿強度，若是，則將部位的絕緣體電導(dǎo)率和導(dǎo)體電導(dǎo)率增大；熱解計算單元，存儲有熱解溫度，用于判斷最后一個時間步得到的各個部位的溫度是否大于熱解溫度，若是，則部位為被雷擊破壞部位，雷擊損傷單元，用于根據(jù)所有被雷擊破壞部位，計算得到損傷面積和損傷深度。

3、在本發(fā)明提供的三維機織復(fù)合材料雷擊損傷預(yù)測裝置中，還可以具有這樣的特征：其中，關(guān)鍵區(qū)域模型構(gòu)建模塊包括：rve構(gòu)建單元，用于獲取細(xì)觀尺度下三維機織復(fù)合材料的參數(shù)，并根據(jù)參數(shù)構(gòu)建rve幾何模型；性能參數(shù)測量單元，用于根據(jù)測試標(biāo)準(zhǔn)，獲取三維機織復(fù)合材料的性能參數(shù)；屬性設(shè)置單元，用于對rve幾何模型設(shè)置材料屬性和周期性邊界條件；性能參數(shù)計算單元，存儲有電導(dǎo)率計算公式和熱導(dǎo)率計算公式，用于根據(jù)電導(dǎo)率計算公式得到rve幾何模型的電導(dǎo)率數(shù)據(jù)，并根據(jù)熱導(dǎo)率計算公式得到rve幾何模型的熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)；驗證單元，用于根據(jù)性能參數(shù)判斷電導(dǎo)率數(shù)據(jù)和熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)是否正確，若是，則將rve幾何模型作為關(guān)鍵區(qū)域模型，若否，則執(zhí)行屬性設(shè)置單元。

4、在本發(fā)明提供的三維機織復(fù)合材料雷擊損傷預(yù)測裝置中，還可以具有這樣的特征：其中，周期性邊界條件為rve幾何模型中對應(yīng)兩個面、邊、頂點上的各節(jié)點溫度或電勢相等或平行。

5、在本發(fā)明提供的三維機織復(fù)合材料雷擊損傷預(yù)測裝置中，還可以具有這樣的特征：其中，電導(dǎo)率計算公式為：i＝∑ecd×a，式中i為電流，ecd為有限元計算得到各單元單位面積電流，a為指定計算方向截面面積，和分別為指定計算方向兩端的電勢，l為指定計算方向長度，σ為指定計算方向的電導(dǎo)率，電導(dǎo)率數(shù)據(jù)包括經(jīng)向、緯向和厚度方向的電導(dǎo)率。

6、在本發(fā)明提供的三維機織復(fù)合材料雷擊損傷預(yù)測裝置中，還可以具有這樣的特征：其中，熱導(dǎo)率計算公式為：q＝∑hfl×a，式中q為熱流量，hfl為有限元計算得到各單元單位面積熱流量，a為指定計算方向截面面積，l為指定計算方向長度，ta和tb分別為指定計算方向兩端的溫度，k為指定計算方向的熱導(dǎo)率，熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)包括經(jīng)向、緯向和厚度方向的熱導(dǎo)率。

7、在本發(fā)明提供的三維機織復(fù)合材料雷擊損傷預(yù)測裝置中，還可以具有這樣的特征：其中，三維機織復(fù)合材料板模型包括四周非關(guān)鍵區(qū)域和中心關(guān)鍵區(qū)域，四周非關(guān)鍵區(qū)域為非關(guān)鍵區(qū)域模型，中心關(guān)鍵區(qū)域由多個關(guān)鍵區(qū)域模型填充構(gòu)成。

8、在本發(fā)明提供的三維機織復(fù)合材料雷擊損傷預(yù)測裝置中，還可以具有這樣的特征：其中，電流密度的計算表達(dá)式為：∫sje·nds＝∫vrcdv，式中s為面積，je為電流的面密度矢量，n為面法向量，v為體積，rc為電荷的體密度，電場強度和電勢的計算表達(dá)式為：式中σe為電導(dǎo)率，φ為電勢，e為電場強度，溫度的計算表達(dá)式為：qj＝ηpec＝ηje·e＝ηe·σe·e，式中qj為內(nèi)能，η為能量轉(zhuǎn)換系數(shù)，ρ為密度，cp為比熱容，t為溫度，t為時間，k為材料各方向上熱導(dǎo)率。

9、在本發(fā)明提供的三維機織復(fù)合材料雷擊損傷預(yù)測裝置中，還可以具有這樣的特征：其中，在擊穿判定單元中，電勢差大于等于介電擊穿強度時，將對應(yīng)的部位的絕緣體電導(dǎo)率增大6個數(shù)量級，并將導(dǎo)體電導(dǎo)率增大3個數(shù)量級。

10、本發(fā)明還提供了一種三維機織復(fù)合材料雷擊損傷預(yù)測方法，用于得到三維機織復(fù)合材料的雷擊損傷結(jié)果，具有這樣的特征，包括以下步驟：步驟s1，獲取三維機織復(fù)合材料的參數(shù)，并根據(jù)參數(shù)構(gòu)建關(guān)鍵區(qū)域模型；步驟s2，根據(jù)三維機織復(fù)合材料構(gòu)建宏觀均勻模型作為非關(guān)鍵區(qū)域模型；步驟s3，將關(guān)鍵區(qū)域模型和非關(guān)鍵區(qū)域模型綁定耦合，得到三維機織復(fù)合材料板模型；步驟s4，設(shè)定邊界條件、雷電流載荷和熱輻射條件；步驟s5，根據(jù)邊界條件、雷電流載荷、熱輻射條件和三維機織復(fù)合材料板模型，計算得到損傷面積和損傷深度作為雷擊損傷結(jié)果，其中，步驟s5包括以下子步驟：步驟s5-1，根據(jù)每個時間步的邊界條件、雷電流載荷、熱輻射條件和三維機織復(fù)合材料板模型，計算得到該時間步的電場強度、電勢、電流密度和溫度；步驟s5-2，在每個時間步后根據(jù)電勢，判斷三維機織復(fù)合材料板模型各部位的電勢差是否大于等于介電擊穿強度，若是，則將部位的絕緣體電導(dǎo)率和導(dǎo)體電導(dǎo)率增大；步驟s5-3，判斷是否迭代結(jié)束，若是，則進(jìn)入步驟s5-4，若否，則時間步加1，并執(zhí)行步驟s5-1；步驟s5-4，判斷最后一個時間步得到的各個部位的溫度是否大于熱解溫度，若是，則部位為被雷擊破壞部位；步驟s5-5，根據(jù)所有被雷擊破壞部位，計算得到損傷面積和損傷深度。

11、發(fā)明的作用與效果

12、根據(jù)本發(fā)明所涉及的三維機織復(fù)合材料雷擊損傷預(yù)測裝置及方法，一方面，將整個三維機織復(fù)合材料板模型分為關(guān)鍵區(qū)域模型和非關(guān)鍵區(qū)域模型，在降低非必要算力的同時，構(gòu)建能夠準(zhǔn)確反映三維機織復(fù)合材料特性的仿真模型；另一方面，通過熱解計算單元在每個時間步對雷擊的影響進(jìn)行評估，從而得到三維機織復(fù)合材料板模型最終準(zhǔn)確的損傷結(jié)果。所以，本發(fā)明的三維機織復(fù)合材料雷擊損傷預(yù)測裝置及方法能夠準(zhǔn)確預(yù)測三維機織復(fù)合材料雷擊后的損傷結(jié)果。