Захист авіаційних композитних матеріалів від пошкодження розрядом блискавки

  1. Високотехнологічні покриття композитних матеріалів для літальних апаратів
  2. Термічне напругу, зміщення і утворення тріщин
  3. Моделювання термічного напруги і злітно-посадочних циклів
  4. Проектування шару суцільнотягненої металевої фольги для забезпечення надійної блискавкозахисту.
  5. додаткова література

Компанія Boeing застосовує новітні технології в сучасних літаках: наприклад, фюзеляж 787 Dreamliner більш ніж на 50% складається з вуглепластика. Крім неймовірно малої ваги і видатних міцності у авіаційних композитних матеріалів є ще одна особливість - вони не проводять струм, а це значить, що для зменшення пошкоджень від розряду блискавки потрібно нанесення додаткових захисних покриттів. У даній статті ми розповімо, як за допомогою засобів мультіфізіческого моделювання розрахувати термічне напругу і деформації, що виникають в захисному покритті при температурних коливаннях, характерних для типового циклу польоту.

Високотехнологічні покриття композитних матеріалів для літальних апаратів

Високотехнологічні композитні матеріали широко застосовуються в конструкції Boeing 787 Dreamliner , Як видно з малюнка нижче. Композитні матеріали, також відомі як армовані вуглецевим волокном пластики (вуглепластики), отримують шляхом з'єднання легкого полімерного в'яжучого матеріалу з наповнювачем з диспергированного вуглецевого волокна, що дозволяє отримати матеріал з високою питомою міцністю. Зокрема, з вуглепластика виконуються багато компонентів конструкції крила, що дозволяє їм витримувати пов'язані з польотом навантаження і зводить до мінімуму їх внесок в загальну масу літального апарату.

Передові композитні матеріали   , Використовувані в конструкції фюзеляжу Boeing 787
Передові композитні матеріали , Використовувані в конструкції фюзеляжу Boeing 787. Авторські права © Boeing.

Однак, незважаючи на високу міцність і малу вагу, вуглепластики зазвичай не проводять струм, що робить їх уразливими до пошкоджень, викликаним ударом блискавки. Саме тому в шарувату структуру композитного матеріалу додають Суцільнотягнені металеву фольгу (див. Малюнок нижче) для розсіювання сильного струму і тепла, які виникають при ударі блискавки.

На малюнку зліва показана структура композитного матеріалу, що включає в себе шар суцільнотягненої металевої фольги, який зображений на малюнку справа
На малюнку зліва показана структура композитного матеріалу, що включає в себе шар суцільнотягненої металевої фольги, який зображений на малюнку справа. Дана ілюстрація є знімок екрана програмного забезпечення COMSOL Multiphysics®, яке використовувалося для створення моделі, про яку йшлося в даній статті. Авторські права © Boeing.

Також на ілюстрації показані додаткові шари покриття, розташовані поверх суцільнотягненої металевої фольги і покликані забезпечити її захист від вологи і погодних явищ, що викликають корозію. Корозійні пошкодження фольги можуть привести до погіршення провідності і, відповідно, до зниження ступеня захисту конструкції літального апарату від удару блискавки. Коливання температури, характерні для злітно-посадкового циклу, можуть призводити до появи тріщин в захисному покритті, знижуючи його ефективність.

Термічне напругу, зміщення і утворення тріщин

Під час зльоту і посадки конструкція літального апарату піддається відповідно охолодженню або нагріванню. термічне напругу проявляється у вигляді розширення або стиснення, а в кінцевому рахунку - зміщення прилеглих шарів по всій глибині структури композитного матеріалу. Незважаючи на те, що один переліт «туди-назад» не становить серйозної загрози, з плином часу вплив на кожен з шарів композитного матеріалу сприяє накопиченню втомних пошкоджень. Багаторазове термічне напругу призводить до накопичення деформацій і сильнішим зсувам, які, в свою чергу, пов'язані з підвищеним ризиком утворення тріщин. Напруження в матеріалі залежать від його механічних характеристик, кількісно визначених за допомогою вимірних параметрів, таких як межа плинності, модуль Юнга і коефіцієнт Пуассона.

Моделювання термічного напруги і злітно-посадочних циклів

Беручи до уваги теплові і механічні характеристики матеріалу, можна скористатися засобами моделювання для проектування і оптимізації структури захисних шарів авіаційних композитних матеріалів, яка мінімізує напруга, зміщення і утворення тріщин.

Оцінка теплових характеристик кожного шару в схемі поверхневої захисту має важливе значення для зменшення ризиків і витрат, пов'язаних з пошкодженням захисного покриття і суцільнотягненої металевої фольги. Саме тому дослідники з Boeing Research & Technology (BR & T), яких можна побачити на фотографії нижче, використовують мультіфізіческое моделювання та фізичні вимірювання для дослідження впливу конструктивних параметрів суцільнотягненої фольги на величину напруги і зміщення по всій структурі композитного матеріалу.

Дослідницька група Boeing Research & Technology, зліва направо: Патріс Акерман (Patrice Ackerman), Джеффрі Морган (Jeffrey Morgan), Роберт Грегор (Robert Greegor) і Цунь Гао Ле (Quynhgiao Le)
Дослідницька група Boeing Research & Technology, зліва направо: Патріс Акерман (Patrice Ackerman), Джеффрі Морган (Jeffrey Morgan), Роберт Грегор (Robert Greegor) і Цунь Гао Ле (Quynhgiao Le). Авторські права © Boeing.

У своїй роботі дослідники з BR & T використовували модель коефіцієнта теплового розширення (CTE) програмного пакета COMSOL Multiphysics®. На представленій вище фотографії можна побачити модель структури композитного матеріалу з суцільнотягнутої металічною фольгою, створену в COMSOL Multiphysics.

Модель сте використовувалася для оцінки нагріву структури авіаційного композитного матеріалу під час зниження і посадки, при цьому в якості температури на висоті і на землі використовувалися вихідна і кінцева величини температури відповідно. Який об'єднує можливості по моделюванню теплопередачі і механіки твердого тіла інтерфейс Thermal Stress (Термічне напруга) використовувався для моделювання теплового розширення і обчислення зміщення по всій структурі.

Властивості матеріалу кожного шару в схемі поверхневої захисту, а також композитних матеріалів задавалися в моделі сте вручну. Відносні величини коефіцієнта теплового розширення, теплоємності, щільності, теплопровідності, модуля Юнга і коефіцієнта Пуассона представлені на графіку нижче.

На цьому графіку зображено відношення характеристик кожного матеріалу до характеристик шару фарби
На цьому графіку зображено відношення характеристик кожного матеріалу до характеристик шару фарби. Авторські права © Boeing.

З графіка можна виявити тенденції, що забезпечують розуміння поведінки матеріалів, що допомагає в прийнятті проектних рішень. Наприклад, шар фарби характеризується підвищеними значеннями коефіцієнта теплового розширення, теплоємності і коефіцієнта Пуассона, а це значить, що при нагріванні і охолодженні на нього будуть впливати стискуюче напруга і деформація розтягування.

Мультіфізіческое моделювання розширює можливості прогностичного аналізу за допомогою одночасного обчислення викликаного термічним напруженням зсуву по всій структурі композитного матеріалу з урахуванням характеристик кожного з шарів. На малюнку нижче наведений приклад отриманих BR & T результатів моделювання, який ілюструє розподіл напруги і зміщення по всій структурі композитного матеріалу.

Зліва: еквівалентні напруги Мізеса і зміщення на вигляді зверху і в розрізі зразка композитного матеріалу площею 1 кв
Зліва: еквівалентні напруги Мізеса і зміщення на вигляді зверху і в розрізі зразка композитного матеріалу площею 1 кв. дюйм. Справа: верхні шари були зроблені прозорими, щоб було видно області підвищених напруг, позначені червоним кольором. Області зі зниженими напругою позначені синім кольором. Авторські права © Boeing.

На графіках, розташованих зліва, характер зміщення, викликаного металічною фольгою, чітко видно крізь шар фарби, що покриває композитний матеріал, в той час як на збільшеному вигляді в розрізі показана нерівномірність зміщення над сіткою і пустотами фольги. На розрізі також можна побачити розподіл напруги по всій глибині композитного матеріалу з тенденцією до зниження напруги в самих верхніх шарах матеріалу. У графіку праворуч для відображення ділянок з високою напругою в композитному матеріалі і металевій фользі верхні шари були зроблені прозорими. У точках перетину дроту сітки значення напруги значно вище. Графік напруги був побудований для всієї глибини композитного матеріалу вздовж червоної вертикальної лінії, розташованої по центру. На малюнку нижче представлені відносні величини напруги в кожному з шарів композитного матеріалу для різних складів металу суцільнотягненої фольги.

Графіки значень відносного напруги в довільних одиницях були побудовані для всієї глибини композитного матеріалу, що містить алюмінієву (зліва) або мідну (праворуч) фольгу
Графіки значень відносного напруги в довільних одиницях були побудовані для всієї глибини композитного матеріалу, що містить алюмінієву (зліва) або мідну (праворуч) фольгу. Авторські права © Boeing.

Зразки розрізняються наявністю антикорозійного шару зі скловолокна в тому випадку, якщо фольга виготовлена ​​з алюмінію. Скловолокно діє в якості буферного шару, знижуючи рівень напруги в алюмінієвій фользі в порівнянні з мідною.

Проектування шару суцільнотягненої металевої фольги для забезпечення надійної блискавкозахисту.

Конструкція суцільнотягненої металевої фольги обумовлює характеристики композитного матеріалу в цілому: від блискавкозахисту до конструктивної міцності захисної структури. Конструкція шару фольги може змінюватися в залежності від металевого складу, висоти, ширини і співвідношення сторін осередку металевої сітки. Для кожного параметра конструкції фольги необхідно знайти компроміс між токонесущей здатністю, величиною зміщення і масою. Використовуючи модель сте, дослідники з BR & T виявили, що найкращим способом збільшення токонесущей здатності суцільнотягненої металевої фольги і, отже, її впливу на зміщення в шарах композитного матеріалу є збільшення ширини сітки з одночасним зменшенням співвідношення сторін осередки.

Вибір металу фольги також може мати значний вплив на напругу і зміщення в структурі композитного матеріалу. Дане припущення перевірялося за допомогою моделювання та фізичних випробувань. Два зразка композитного матеріалу (один з алюмінієвою фольгою, другий з мідної) піддавали циклічному нагріву і охолодження в кліматичній випробувальної камері при тривалому впливі вологи. Як видно з результатів нижче, структура композитного матеріалу не зазнає змін при використанні суцільнотягненої фольги з міді. При використанні фольги з алюмінію, навпаки, утворювалися тріщини в шарі грунтовки, по краях і на поверхнях шарів, особливо значні в областях перетинання дроту сітки.

Мікрофотографії структури композитного матеріалу після впливу вологи і циклів нагріву та охолодження
Мікрофотографії структури композитного матеріалу після впливу вологи і циклів нагріву та охолодження. Тріщина в безпосередній близькості від шару фольги з алюмінію обведена червоним. Авторські права © Boeing.

Моделювання підтверджує результати експерименту. З графіків нижче видно, що при використанні фольги з алюмінію зміщення по всій структурі композитного матеріалу більш значні, що означає підвищений ризик утворення тріщин. На представлених нижче графіках, що показують коефіцієнти зміщення для кожного з матеріалів в залежності від товщини шару фольги, це видно особливо добре.

Вплив зміни товщини фольги на зміщення в кожному шарі захисної структури
Вплив зміни товщини фольги на зміщення в кожному шарі захисної структури. Авторські права © Boeing.

Більш значні зсуви, що виникають в результаті використання алюмінієвої фольги, можна частково пояснити вищими порівняно з міддю коефіцієнтом теплового розширення самого металу, що в черговий раз показує, наскільки важливі характеристики матеріалу для теплової стабільності авіаційних композитів.

На ранніх етапах проектування мультіфізіческое моделювання спільно з експериментальними випробуваннями забезпечує надійні засоби для оцінки впливу конструктивних параметрів суцільнотягненої металевої фольги на величини напруги і зміщення, що виникають по всій глибині структури композитного матеріалу. Оптимізація конструкції металевої фольги має важливе значення для зменшення ризику утворення тріщин в структурі захисних шарів, що дозволяє скоротити витрати на обслуговування і гарантувати, що шар фольги виконає свою основну функцію, - захист від пошкоджень розрядом блискавки.

додаткова література

Оригінал статті "Boeing Simulates Thermal Expansion in Composites with Expanded Metal Foil for Lightning Strike Protection of Aircraft Structures" (Компанія Boeing моделює термічне розширення в композитах з металічною фольгою для захисту конструкцій повітряних суден від ударів блискавок) можна прочитати на сторінці 4 журналу COMSOL News 2014 .

Стаття заснована на наступних матеріалах компанії Boeing, що знаходяться у відкритому доступі:

  • The Boeing Company. " 787 Advanced Composite Design . "2008-2013.
  • JD Morgan, RB Greegor, PK Ackerman, QN Le, "Thermal Simulation and Testing of Expanded Metal Foils Used for Lightning Protection of Composite Aircraft Structures," SAE Int. J. Aerosp. 6 (2): 371-377, 2013, doi: 10.4271 / 2013-01-2132.
  • RB Greegor, JD Morgan, QN Le, PK Ackerman, "Finite Element Modeling and Testing of Expanded Metal Foils Used for Lightning Protection of Composite Aircraft Structures," Proceedings of 2013 ICOLSE Conference; Seattle, WA, September 18-20, 2013.

Для того щоб дізнатися більше про можливості додавання характеристик матеріалу до вашої моделі в COMSOL Multiphysics®, ознайомтеся з серією статей «Отримання даних про матеріали шляхом вимірювань для моделювання механіки конструкцій», підготовленої для даного блогу моїм колегою Хенриком Зённерліндом (Henrik Sönnerlind):

Загальна інформація про проектування і конструкціях літальних апаратів представлена ​​в першому розділі даного керівництва по обслуговуванню повітряних суден Федерального управління цивільної авіації США.

BOEING, Dreamliner і 787 Dreamliner - зареєстровані товарні знаки Boeing Company Corporation в США та інших країнах.

Разделы

» Ваз

» Двигатель

» Не заводится

» Неисправности

» Обзор

» Новости


Календарь

«    Август 2017    »
ПнВтСрЧтПтСбВс
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
 

Архив

О сайте

Затраты на выполнение норм токсичности автомобилей в США на период до 1974 г.-1975 г произошли существенные изменения. Прежде всего следует отметить изменение характера большинства работ по электромобилям: работы в подавляющем большинстве стали носить чисто утилитарный характер. Большинство созданных в начале 70х годов электромобилей поступили в опытную эксплуатацию. Выпуск электромобилей в размере нескольких десятков штук стал обычным не только для Англии, но и для США, ФРГ, Франции.

ПОПУЛЯРНОЕ

РЕКЛАМА

www.school4mama.ru © 2016. Запчасти для автомобилей Шкода