Защита авиационных композитных материалов от повреждения разрядом молнии

11/06/2015

Компания Boeing применяет новейшие технологии в современных самолетах: например, фюзеляж 787 Dreamliner более чем на 50% состоит из углепластика. Помимо невероятно малого веса и выдающихся прочностных характеристик у авиационных композитных материалов есть еще одна особенность — они не проводят ток, а это значит, что для уменьшения повреждений от разряда молнии потребуется нанесение дополнительных защитных покрытий. В данной статье мы расскажем, как с помощью средств мультифизического моделирования рассчитать термическое напряжение и деформации, возникающие в защитном покрытии при температурных колебаниях, характерных для типового цикла полета.

Высокотехнологичные покрытия композитных материалов для летательных аппаратов

Высокотехнологичные композитные материалы широко применяются в конструкции Boeing 787 Dreamliner, как видно из рисунка ниже. Композитные материалы, также известные как армированные углеродным волокном пластики (углепластики), получают путем соединения легкого полимерного вяжущего материала с наполнителем из диспергированного углеродного волокна, что позволяет получить материал с высокой удельной прочностью. В частности, из углепластика выполняются многие компоненты конструкции крыла, что позволяет им выдерживать связанные с полетом нагрузки и сводит к минимуму их вклад в общую массу летательного аппарата.

Схема самолета Boeing 787.
Передовые композитные материалы, используемые в конструкции фюзеляжа Boeing 787. Авторские права © Boeing.

Однако, несмотря на высокую прочность и малый вес, углепластики обычно не проводят ток, что делает их уязвимыми к повреждениям, вызванным ударом молнии. Именно поэтому в слоистую структуру композитного материала добавляют цельнотянутую металлическую фольгу (см. рисунок ниже) для рассеивания сильного тока и тепла, которые возникают при ударе молнии.

Изображение модели структуры композитного материала с включением металлической фольги в COMSOL Multiphysics
На рисунке слева показана структура композитного материала, включающая в себя слой цельнотянутой металлической фольги, который изображен на рисунке справа. Данная иллюстрация представляет собой снимок экрана программного обеспечения COMSOL Multiphysics®, которое использовалось для создания модели, обсуждаемой в данной статье. Авторские права © Boeing.

Также на иллюстрации показаны дополнительные слои покрытия, расположенные поверх цельнотянутой металлической фольги и призванные обеспечить ее защиту от влаги и погодных явлений, вызывающих коррозию. Коррозионные повреждения фольги могут привести к ухудшению проводимости и, соответственно, к снижению степени защиты конструкции летательного аппарата от удара молнии. Колебания температуры, характерные для взлетно-посадочного цикла, могут приводить к появлению трещин в защитном покрытии, снижая его эффективность.

Термическое напряжение, смещение и образование трещин

Во время взлета и посадки конструкция летательного аппарата подвергается соответственно охлаждению или нагреву. Термическое напряжение проявляется в виде расширения или сжатия, а в конечном счете — смещения прилегающих слоев по всей глубине структуры композитного материала. Несмотря на то, что один перелет «туда-обратно» не представляет серьезной угрозы, с течением времени воздействие на каждый из слоев композитного материала способствует накоплению усталостных повреждений. Многократное термическое напряжение приводит к накоплению деформаций и более сильным смещениям, которые, в свою очередь, связаны с повышенным риском образования трещин. Напряжения в материале зависят от его механических характеристик, количественно определяемых посредством измеримых параметров, таких как предел текучести, модуль Юнга и коэффициент Пуассона.

Моделирование термического напряжения и взлетно-посадочных циклов

Принимая во внимание тепловые и механические характеристики материала, можно воспользоваться средствами моделирования для проектирования и оптимизации структуры защитных слоев авиационных композитных материалов, которая минимизирует напряжение, смещение и образование трещин.

Оценка тепловых характеристик каждого слоя в схеме поверхностной защиты имеет важное значение для уменьшения рисков и затрат, связанных с повреждением защитного покрытия и цельнотянутой металлической фольги. Именно поэтому исследователи из Boeing Research & Technology (BR&T), которых можно увидеть на фотографии ниже, используют мультифизическое моделирование и физические измерения для исследования влияния конструктивных параметров цельнотянутой фольги на величину напряжения и смещения по всей структуре композитного материала.

Фотография группы исследователей компании Boeing.
Исследовательская группа Boeing Research & Technology, слева направо: Патрис Акерман (Patrice Ackerman), Джеффри Морган (Jeffrey Morgan), Роберт Грегор (Robert Greegor) и Цунь Гао Ле (Quynhgiao Le). Авторские права © Boeing.

В своей работе исследователи из BR&T использовали модель коэффициента теплового расширения (CTE) программного пакета COMSOL Multiphysics®. На представленной выше фотографии можно увидеть модель структуры композитного материала с цельнотянутой металлической фольгой, созданную в COMSOL Multiphysics.

Модель СТЕ использовалась для оценки нагрева структуры авиационного композитного материала во время снижения и посадки, при этом в качестве температуры на высоте и на земле использовались исходная и конечная величины температуры соответственно. Объединяющий возможности по моделированию теплопередачи и механики твердого тела интерфейс Thermal Stress (Термическое напряжение) использовался для моделирования теплового расширения и вычисления смещения по всей структуре.

Свойства материала каждого слоя в схеме поверхностной защиты, а также композитных материалов задавались в модели СТЕ вручную. Относительные величины коэффициента теплового расширения, теплоемкости, плотности, теплопроводности, модуля Юнга и коэффициента Пуассона представлены на графике ниже.

График, демонстрирующий соотношение параметров материала, для моделирования летательных аппаратов.
На этом графике изображено отношение характеристик каждого материала к характеристикам слоя краски. Авторские права © Boeing.

Из графика можно выявить тенденции, обеспечивающие понимание поведения материалов, что помогает в принятии проектных решений. Например, слой краски характеризуется повышенными значениями коэффициента теплового расширения, теплоемкости и коэффициента Пуассона, а это значит, что при нагреве и охлаждении на него будут воздействовать сжимающее напряжение и деформация растяжения.

Мультифизическое моделирование расширяет возможности прогностического анализа посредством одновременного вычисления вызванного термическим напряжением смещения по всей структуре композитного материала с учетом характеристик каждого из слоев. На рисунке ниже приведен пример полученных BR&T результатов моделирования, иллюстрирующий распределение напряжения и смещение по всей структуре композитного материала.

График, демонстрирующий различные виды эквивалентного напряжения Мизеса и смещения в структуре композитного материала.
Слева: эквивалентные напряжения Мизеса и смещения на виде сверху и в разрезе образца композитного материала площадью 1 кв. дюйм. Справа: верхние слои были сделаны прозрачными, чтобы были видны области повышенных напряжений, обозначенные красным цветом. Области с пониженными напряжениями обозначены синим цветом. Авторские права © Boeing.

На графиках, расположенных слева, характер смещения, вызванного металлической фольгой, отчетливо виден сквозь слой краски, покрывающий композитный материал, в то время как на увеличенном виде в разрезе показана неравномерность смещения над сеткой и пустотами фольги. На разрезе также можно увидеть распределение напряжения по всей глубине композитного материала с тенденцией к снижению напряжения в самых верхних слоях материала. В графике справа для отображения участков с высоким напряжением в композитном материале и металлической фольге верхние слои были сделаны прозрачными. В точках пересечения проволоки сетки значения напряжения значительно выше. График напряжения был построен для всей глубины композитного материала вдоль красной вертикальной линии, расположенной по центру. На рисунке ниже представлены относительные величины напряжения в каждом из слоев композитного материала для различных составов металла цельнотянутой фольги.

Сравнительный график относительного напряжения в структуре композитного материала при использовании медной и алюминиевой фольги.
Графики значений относительного напряжения в произвольных единицах были построены для всей глубины композитного материала, содержащего алюминиевую (слева) или медную (справа) фольгу. Авторские права © Boeing.

Образцы различаются наличием антикоррозийного слоя из стекловолокна в том случае, если фольга изготовлена из алюминия. Стекловолокно действует в качестве буферного слоя, снижая уровень напряжения в алюминиевой фольге по сравнению с медной.

Проектирование слоя цельнотянутой металлической фольги для обеспечения надежной молниезащиты.

Конструкция цельнотянутой металлической фольги обуславливает характеристики композитного материала в целом: от молниезащиты до конструктивной прочности защитной структуры. Конструкция слоя фольги может изменяться в зависимости от металлического состава, высоты, ширины и соотношения сторон ячейки металлической сетки. Для каждого параметра конструкции фольги необходимо найти компромисс между токонесущей способностью, величиной смещения и массой. Используя модель СТЕ, исследователи из BR&T обнаружили, что наилучшим способом увеличения токонесущей способности цельнотянутой металлической фольги и, следовательно, ее влияния на смещение в слоях композитного материала является увеличение ширины сетки с одновременным уменьшением соотношения сторон ячейки.

Выбор металла фольги также может оказывать значительное влияние на напряжение и смещение в структуре композитного материала. Данное предположение проверялось с помощью моделирования и физических испытаний. Два образца композитного материала (один с алюминиевой фольгой, второй с медной) подвергали циклическому нагреву и охлаждению в климатической испытательной камере при длительном воздействии влаги. Как видно из результатов ниже, структура композитного материала не претерпевает изменений при использовании цельнотянутой фольги из меди. При использовании фольги из алюминия, напротив, образовывались трещины в слое грунтовки, по краям и на поверхностях слоев, особенно значительные в областях пересечения проволоки сетки.

Фотографии, демонстрирующие структуру композитного материала самолета Boeing после воздействия в ходе эксперимента.
Микрофотографии структуры композитного материала после воздействия влаги и циклов нагрева и охлаждения. Трещина в непосредственной близости от слоя фольги из алюминия обведена красным. Авторские права © Boeing.

Моделирование подтверждает результаты эксперимента. Из графиков ниже видно, что при использовании фольги из алюминия смещения по всей структуре композитного материала более значительны, что означает повышенный риск образования трещин. На представленных ниже графиках, показывающих коэффициенты смещения для каждого из материалов в зависимости от толщины слоя фольги, это видно особенно хорошо.

График, демонстрирующий диапазон смещений в зависимости от изменения толщины слоя цельнотянутой металлической фольги.
Влияние изменения толщины фольги на смещение в каждом слое защитной структуры. Авторские права © Boeing.

Более значительные смещения, возникающие в результате использования алюминиевой фольги, можно отчасти объяснить более высоким по сравнению с медью коэффициентом теплового расширения самого металла, что в очередной раз показывает, насколько важны характеристики материала для тепловой стабильности авиационных композитов.

На ранних этапах проектирования мультифизическое моделирование совместно с экспериментальными испытаниями обеспечивает надежные средства для оценки влияния конструктивных параметров цельнотянутой металлической фольги на величины напряжения и смещения, возникающие по всей глубине структуры композитного материала. Оптимизация конструкции металлической фольги имеет важное значение для уменьшения риска образования трещин в структуре защитных слоев, что позволяет сократить расходы на обслуживание и гарантировать, что слой фольги выполнит свою основную функцию, — защиту от повреждений разрядом молнии.

Дополнительная литература

Оригинал статьи "Boeing Simulates Thermal Expansion in Composites with Expanded Metal Foil for Lightning Strike Protection of Aircraft Structures" (Компания Boeing моделирует термическое расширение в композитах с металлической фольгой для защиты конструкций воздушных судов от ударов молний) можно прочитать на странице 4 журнала COMSOL News 2014.

Статья основана на следующих материалах компании Boeing, находящихся в открытом доступе:

  • The Boeing Company. “787 Advanced Composite Design.” 2008-2013.
  • J.D. Morgan, R.B. Greegor, P.K. Ackerman, Q.N. 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.
  • R.B. Greegor, J.D. Morgan, Q.N. Le, P.K. 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 чтобы узнать больше о возможности добавления характеристик материала к вашей модели в COMSOL Multiphysics®, ознакомьтесь с серией статей «Получение данных о материалах путем измерений для моделирования механики конструкций», подготовленной для данного блога моим коллегой Хенриком Зённерлиндом (Henrik Sönnerlind):

Общая информация о проектировании и конструкциях летательных аппаратов представлена в первой главе данного руководства по обслуживанию воздушных судов Федерального управления гражданской авиации США.

BOEING, Dreamliner и 787 Dreamliner — зарегистрированные товарные знаки Boeing Company Corporation в США и других странах.


Комментарии (0)

Оставить комментарий
Войти | Регистрация
Загрузка...
РУБРИКАТОР БЛОГА COMSOL 
РУБРИКИ
ТЕГИ
РУБРИКИ
ТЕГИ