韓志勇，王曉梅，左進奎，王志平

（中國民航大學天津市民用航空器適航與維修重點實驗室，天津 300300）

碳纖維樹脂基復合材料（CFRP）具有優(yōu)異的力學性能，比強度、比剛度高，疲勞性能良好，在飛機結(jié)構(gòu)中得到了日益廣泛的應用與研究。

飛機在長期服役過程中其結(jié)構(gòu)會受到各種各樣的損傷。復合材料結(jié)構(gòu)主要損傷形式有濕熱損傷、紫外損傷、機械沖擊損傷和電熱損傷。前3種損傷一直受到國內(nèi)外科技界和企業(yè)高度重視，而對電熱損傷的研究與評價近年來才受到人們的關(guān)注[1-2]。電熱損傷主要有3種形式：①短時間強電流（kA量級）的閃電損傷；②長時間低電流（A量級）的電熱損傷；③靜電損傷。國內(nèi)外學者對閃電損傷進行了廣泛的研究[3-5]。由于CFRP電阻系數(shù)為 6×103Ω·cm，大約是鋁的2 000倍，當電流通過材料內(nèi)部時，會導致局部升溫，致使CFRP部件受到熱損傷，力學性能可能大幅下降[6-8]。由于目前還沒有相應的電熱損傷無損檢測技術(shù)，所以這種損傷具有極大的隱蔽性，給飛機安全飛行帶來極大的隱患。隨著CFRP在飛機結(jié)構(gòu)中的應用規(guī)模越來越大，其電熱損傷已成為科學研究的難點和熱點問題[9-12]。

1 實驗方法、方案和計算原理與模型

1.1 實驗方法和方案

碳纖維樹脂基復合材料的電熱損傷的溫度場分布實驗研究是在自制的電熱損傷設(shè)備上進行的，測試平臺主要包括測試系統(tǒng)、采集系統(tǒng)和輸出系統(tǒng)3個部分，結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。測試復合材料的尺寸為200 mm×20 mm×2 mm，其中纖維編織方向沿軸向單向編織，纖維含量為60%。為了減少試件和銅電極的接觸電阻，接觸端涂覆高純的導電膠。測試過程中，試件兩端可以進行加載處理。

圖1 電熱損傷實驗裝置圖Fig.1 Setting drawing of electric-thermal experiment device

實驗過程中，選取恒定電流通電方式，使用測試電源通過Cu電極給復合材料分別通以強度為4 A、6 A和8 A的直流電。溫度場測試采用非接觸式測量方式，探測探頭分別測試圖1中A、B、C三點的材料表面溫度隨通電時間的變化，采集頻率為1 s/點。通電時間為1 h。實驗參數(shù)如表1所示。

表1 實驗參數(shù)Tab.1 Experiment parameters

1.2 模擬計算模型

根據(jù)實驗中復合材料的尺寸，建立三維有限元模型，均勻劃分網(wǎng)格，如圖2所示。

復合材料電熱損傷需要計算電-熱-力三者之間的關(guān)系，計算通電后材料的溫度場分布是研究電熱損傷的前提和必要條件。本文使用間接耦合的方法，使用電-熱耦合模塊計算通電過程CFRP的溫度場分布，分析單元使用DC3D8E。當進行通電時，試件內(nèi)部會形成一個基于焦耳熱的體熱源。實際的物理模型可簡化成求解一定散熱邊界條件下的試件內(nèi)部溫度分布模型。具體邊界條件可設(shè)定為:復合材料兩邊通過導電膠與銅電極接觸散熱，中間部分與空氣換熱。

為了保持和實驗過程一致，計算過程中，周圍環(huán)境溫度取為16℃。由于實驗研究的是復合材料表面溫度的分布，不考慮材料的細觀結(jié)構(gòu)，對該模型做了如下假設(shè):周圍空氣的溫度始終保持恒定，材料與空氣的散熱系數(shù)不隨溫度的變化而改變。整個復合材料的等效導熱系數(shù)和電阻率不隨溫度變化。

2 實驗與模擬結(jié)果

2.1 溫度場隨電流的變化

通電電流分別為4 A、6 A、8 A，3個測試點A、B、C溫度的變化曲線如圖3所示。圖3插圖的3組曲線中，每組3條曲線自下向上分別代表A、C、B點溫度。

2.2 溫度場模擬

依據(jù)1.2計算模型，對計算結(jié)果作后處理，通電電流為4 A、6 A和8 A時溫度場云圖分布如圖4所示。復合材料表面中心B點的有限元計算的升溫曲線結(jié)果如圖5所示。通電電流8 A下實驗與模擬計算的結(jié)果比較如圖6所示。

3 分析與比較

對比圖3中4 A、6 A、8 A電流的作用，在同一時間條件下，溫度隨電流的增加迅速增大。升溫2 min左右達到穩(wěn)定狀態(tài)，達到穩(wěn)定平衡分布的時間基本不隨通電電流的變化而變化。

在不同電流作用下，表面溫度升溫的變化規(guī)律基本一致。CFRP在恒定通電電流（8 A）作用下，表面溫度隨時間的增加而升高。升溫過程中，通電時間內(nèi)溫度幾乎隨時間呈線性增長。達到穩(wěn)定狀態(tài)后，復合材料中心部分B點溫度最高，達到198℃。兩側(cè)A、C點溫度均為192℃。這主要是由于外表面與空氣對流散熱，兩端通過電極導熱散熱，因銅電極導熱系數(shù)較大，復合材料與銅電極接觸的部分溫度相對較低，形成一個由中心至兩端的溫度梯度。在4 A和6 A電流作用下B點的平衡溫度分別為176±0.5℃和182±0.5℃。

從樣品模擬計算的穩(wěn)定溫度分布（如圖4所示）可以看出，通電后材料內(nèi)溫度場分布在橫向和縱向都存在一溫度梯度。8 A電流作用下穩(wěn)定溫度達到198℃，此溫度低于CFRP材料的耐熱溫度，不會造成樹脂基體的變化以及目視檢測出現(xiàn)的裂紋以及斷裂現(xiàn)象。計算結(jié)果表明，8 A以下單次電流作用形成的溫度不會引起樣品結(jié)構(gòu)的變化，但是反復作用可能引起材料性能的劣化。

圖5的模擬計算結(jié)果顯示，在4A、6A、8A電流作用下，中心B處的溫度隨時間也基本呈線性增加，在160 s左右達到穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定溫度分別為162℃、177℃和195℃并且不隨通電時間而變化。

比較圖6的模擬計算和實驗結(jié)果，8 A電流作用下電熱溫度場的有限元計算值與實驗值在初始升溫階段和趨于穩(wěn)定這兩個階段符合的比較好，只是有限元計算的平衡溫度略低于實驗結(jié)果，而在升溫階段實驗值升溫較快，存在著一定的差異，造成這種現(xiàn)象的主要原因有以下幾個方面：

1）有限元計算采用的是簡化模型，忽略了材料熱物性隨溫度變化對試件升溫的影響。

2）有限元計算過程中，設(shè)定邊界條件為室溫16℃，而實驗中，由于條件限制，導電膠與Cu電極之間存在著一定的接觸電阻，焦耳熱的存在導致實驗過程中試件兩端溫度大于室溫，在縱向?qū)е聹囟忍荻刃∮谀M計算的溫度梯度。

雖然有限元分析結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)在某些時刻不能完全吻合，但變化規(guī)律基本一致，整個升溫曲線還是比較準確地反映了CFRP的升溫規(guī)律。

4 結(jié)語

1）自行研制的電熱損傷測試平臺通過降低接觸電阻，能夠進行復合材料CFRP通電后的溫度場分布研究，可以準確測試CFRP通電后的升溫曲線及溫度場分布。

2）復合材料在通電階段，材料表面溫度基本隨時間線性增加，在2 min左右達到穩(wěn)定平衡，在隨后的通電過程中表面溫度不隨時間而變化，隨著電流的增大顯著升高。

3）溫度場模擬計算與電熱損傷實驗結(jié)果基本吻合，變化規(guī)律基本一致。表明自行研制的電熱損傷測試系統(tǒng)具有可靠性和穩(wěn)定性，模擬計算模型可用于CFRP復合材料溫度場預測。

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