CC BY
17
УДК 621.3.027.3:621.315.56 ББК З24:Л252
И.А. ГУЩИН
АНАЛИЗ ДИНАМИКИ ПОСЛОЙНОГО РАЗРУШЕНИЯ УГЛЕПЛАСТИКА ТОКАМИ МОЛНИИ
Ключевые слова: импульсный ток молнии, проводящий композиционный материал, схема замещения углепластика, разрушение углепластика, молниезащита.
Интерес к проводящим композиционным материалам не утратил актуальность до настоящего времени вследствие их высоких прочностных характеристик и малого удельного веса. Однако уязвимость изделий из таких материалов токами молнии по сравнению с цельнометаллическими конструкциями заставляет разработчиков искать перспективные пути повышения молниестойкости композитов и эффективных средств молниезащиты. Появление новых материалов с заданными и изменяемыми электрофизическими характеристиками требует проведения теоретических исследований растекания токов молнии по анизотропно-проводящим материалам и построения динамики разрушения. В данной работе на основании двух моделей разрушения углепластика токами молнии проведен теоретический анализ его деструкции. Динамика послойного разрушения рассмотрена на основе схемы замещения углепластика. Учтена сильная анизотропия материала, приводящая к выделению полной энергии в первом слое. Разрушение верхнего слоя изменяет распределения токов по остальным слоям. Приведены результаты численного моделирования послойного разрушения углепластика для пяти слоев. Наглядно показан процесс разрушения при действии больших импульсов тока. Получены и уточнены критерии разрушения для различных степеней анизотропии материала. Сделан вывод о применении критериев для прогнозирования последствий воздействия молнии и оптимизации молниезащиты на стадии проектирования летательного аппарата.
Исследования поведения проводящих композиционных материалов при протекании по ним больших импульсных токов не утратили свою актуальность по настоящее время. Конструкторов летательных аппаратов привлекает высокая прочность и малый удельный вес этих материалов, но высокая уязвимость их токами молнии значительно снижает безопасность полетов по сравнению с цельнометаллическими конструкциями [1, 3-6]. Требование повышенной молниестойкости изделий из проводящих композитов типа углепластиков делает крайне необходимыми исследования растекания токов по материалу и его разрушения. В работе [2] рассмотрены модели растекания токов молнии по проводящему композиционному материалу. Если в модели сплошной среды с анизотропно-проводящими свойствами распределения токов находились из уравнения Лапласа, то в модели слоистой структуры для нахождения токов использовалась схема замещения углепластика с дискретной проводимостью. Обе модели позволили получить результаты, хорошо совпадающие с экспериментом при тех же исходных данных, но не дали возможности исследовать динамику разрушения.
Цель настоящей работы - проведение анализа динамики разрушения проводящего композиционного материала и разработка критериев разрушения на различных стадиях деструкции материала.
Только после определения электрофизических характеристик углепластика (проводящих свойств и удельной энергии разрушения) [2] и анализа
процессов растекания токов молнии в радиальном и поперечном направлениях становится возможным анализ разрушения самого материала под действием токов молнии.
Сильная анизотропия приводит к тому, что почти вся энергия выделяется только в первом слое до момента его разрушения. После разрушения первого слоя распределение токов по слоям изменяется, так что значительная часть тока ответвляется в разрушенный слой, а остальная распределяется по оставшимся неразрушенным слоям.
Процесс послойного разрушения моделируется с помощью схемы замещения углепластика [2], если считать, что в первую очередь разрушается участок, моделируемый сопротивлением под каналом АЯг. На рис. 1 приведены результаты численного моделирования послойного разрушения углепластика при псл = 5 и р2 / рг = 104.
Рис. 1. Распределение радиальной плотности тока по радиусу г/ гк при разрушении 1-го слоя
Анализ результатов позволил построить следующую схему разрушения материала. После разрушения первого слоя, вызванного значительным энерговыделением в месте контакта канала разряда с углепластиком, ток в основном растекается по двум слоям. Как следует из рис. 1, плотность тока уменьшается вдвое. Если удельная энергия разрушения достигает критического значения, наступает разрушение второго слоя и ток растекается по трем слоям. При разрушении всех слоев плотность тока одинакова в каждом слое (рис. 2). Это видно и из схемы замещения рис. 3, которая при сквозном разрушении становится симметричной.
Наглядно процесс послойного разрушения в динамике схематично показан автором на рис. 4. Здесь Ах - толщина слоя, ^ - ¿4 - промежутки времени, соответствующие протеканию тока по 1-му - 4-му слоям.
Представленная схема послойного разрушения позволяет провести теоретический анализ процесса разрушения углепластика. Этот анализ включал следующие положения:
- сильная анизотропия приводит к растеканию тока по первому слою;
- у канала разряда происходит наибольшее энерговыделение:
\рг12 Л
(2^ГканА)2 '
где рг - удельное сопротивление материала в радиальном направлении; I -ток разряда в любой момент времени; А - толщина слоя;
- зависимость удельного сопротивления от тока и тока от времени представлены в виде
Рг = рт 1т Пр / I, I = 1т ехр(-/1 / т), где р т - удельное сопротивление углепластика в максимуме тока 1т; пр - число разрушенных слоев.
После достижения выделившейся энергии критического значения (де^ = Жкр2) 1-й слой разрушается. Канал начинает контактировать с двумя слоями, и плотность тока уменьшается в 2 раза. После разрушения 2-го слоя плотность тока уменьшается в 3 раза и т.д.
К / !0 10
8 6 4 2 0
г/гкан
Рис. 2. Распределение радиальной плотности тока ]г /]0 по радиусу г/ гк при разрушении всех слоев
&Яг
АЯ*
Рис. 3. Последовательно-параллельная схема замещения углепластика
1
г
I
г
Рис. 4. Процесс разрушения углепластика при действии больших импульсов тока в интерпретации автора
Легко показать, что при разрушении любого п-го слоя в промежутке времени tn-1 - tn справедливо равенство
ехр(-п /т) = 1 - ^ (2п гкан А)2 (1 + 2 + ... + п) / (2 А ри).
Для разрушения п слоев под действием полного импульса тока необходимо, чтобы интеграл действия был равен
А = Пр (Пр+1) (п Гкан А)2 ЖКр2 / рт. (1)
При достаточно большом числе слоев глубина разрушения принимает вид
¿р = Пр А = [А р т / (^Кр2 (п Гкан)2)]0,5. (2)
Выражения (1) и (2) являются критериями сквозного разрушения, если приравнять число разрушенных слоев пр к числу слоев материала. Радиус расслоения верхнего слоя углепластика гр находится из условия достижения энергии Жг в конце импульса на любом значении радиуса Жкр1 и учета, что при разрушении каждого слоя в первом слое на радиусе канала выделяется одна и та же энергия Жкр2
{рг/ 2Л
_0_
(2лгД)2:
Гр = Гкан [ЖКр2 Пр / ЖКр!]0,5.
(3)
Выражение (3) получено в предположении, что при контакте молнии с поверхностью ток растекается только по одному верхнему слою. Следует учесть, что при наличии поперечной проводимости ток может течь и в глубине материала (по следующим слоям).
Определенная в [2] эквивалентная глубина разрушения z3 позволяет уточнить расчетные выражения (1)-(3) для нахождения степени разрушения углепластика. Если z3 > А, то в этих выражениях вместо А следует подставить величину z3. На самом деле на радиусе канала гкан при pz / pr > 104 относительная глубина энерговыделения z3 / А ^ 1. Степень разрушения выражается формулами (1) и (2). Однако выражение (3) оказывается весьма приближенным и требует уточнения. Энерговыделение на радиусе r > 1,5гкзн происходит уже не в одном слое, и выражение (3) принимает вид
(rp / rКан)3 + (rp / rKaH)2 = 2 ГКр2 «сл / W^. (4)
При сравнительно малой степени анизотропии pz / pr < 103 критерий сквозного разрушения материала (1) приобретает вид
A = Np (Np+1) (п rкан z3)2 WKp2 / p m, (5)
где Np = Zp / z3.
Представленные уточнения играют существенную роль при невысокой степени анизотропии. Например, при отношении pz / pr < 103 выражение (1) отличается от выражения (5) не более чем на 10 %. При отношении pz / pr > 104 это отличие несущественно.
Полученные формулы содержат величины, которые воспроизводятся в эксперименте. Как показано в [1], результаты расчетов хорошо согласуются с экспериментом.
Таким образом, основываясь на двух моделях растекания тока по проводящему композиционному материалу, удалось рассмотреть динамику послойного разрушения во времени и найти критерии разрушения. Полученные выражения позволяют прогнозировать последствия воздействия молнии на изделия из углепластиков и оптимизировать молниезащиту на стадии проектирования летательного аппарата. Правомерность применения полученных критериев для оценки разрушения проводящих материалов будет рассмотрена в последующих работах.
Литература
1. Авруцкий В.А., Бизяев А.С., Гущин И.А., Прохоров Е.Н., Сергиевская И.М. Разрушение изделий из углепластика под действием токов молнии // Электричество. 1993. № 2. С. 28-33.
2. Гущин И.А. Сравнение моделей разрушения углепластика токами молнии // Вестник Чувашского университета. 2018. № 3. С. 53-59.
3. Karch С., Metzner С. Lightning protection of carbon fibre reinforced plastics. 33rd Int Conference on Lightning Protection (ICLP), 2016, Sept. 25-30.
4. Krogh T., Bertelsen K., Madsen S. Infrared detection of thermal heat development of isotropic and anisotropic materials during impuls current testing. ICLP, 2010.
5. Madsen S.F., Carloni L. Lightning exposure of Carbon Fiber Composites in wind turbine blades. Journal of Lightning Research. 24th Nordic Insulation Symposium on Materials, Components and Diagnostics, Technical University of Denmark, Copenhagen, 2015, pp. 105-110.
6. Sonehara Т., Kusano Н., Tokuoka N., Hirano Y. Visualization of Lightning Impulse Current Discharge on CFRP Laminate, ICLP, 2014, Oct. 11-18.
ГУЩИН ИГОРЬ АРДАЛЬЕНОВИЧ - кандидат технических наук, доцент кафедры безопасности жизнедеятельности и инженерной экологии, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (еlpardon@gmail.com).
I. GUSHCHIN
ANALYSIS OF DYNAMICS OF LAYER-BY-LAYER FRACTURE OF CFRP BY LIGHTNING CURRENTS
Key words: impulse lightning current, conductive composite material, equivalent circuit of CFRP, CFRP destruction, lightning protection.
Interest in conducting composite materials has not lost its relevance to the present time due to their high strength characteristics and low relative weight. However, the vulnerability of products made of such materials by lightning currents in comparison with all-metal structures makes developers look for promising ways to increase the lightning resistance of composites and effective lightning protection. The emergence of new materials with specified and measured electrophysical characteristics requires theoretical studies of the spreading of lightning currents on anisotropic-conducting materials and the construction offracture dynamics. In this paper, theoretical analysis of destruction of carbon fiber is carried out on the basis of two models of its fracture by lightning currents. The dynamics of layer-by-layer destruction is considered on the basis of carbon fiber substitution scheme. The strong anisotropy of the material leading to the release of total energy in the first layer is taken into account. The destruction of the upper layer leads to a change in the distribution of currents in the remaining layers. The results of numerical simulation of layer-by-layer fracture of carbon fiber for five layers are presented. The process of destruction under the action of large current pulses is clearly shown. Fracture criteria for different degrees of anisotropy of the material are obtained and refined. The paper concluds on the application of criteria for predicting the effects of lightning and lightning protection optimization at the aircraft design stage.
References
1. Avrutskii V.A., Bizyaev A.S., Gushchin I.A., Prokhorov E.N., Sergievskaya I.M. Razrushenie izdelii iz ugleplastika pod deistviem tokov molnii [Destruction of products from carbon fiber by the action of lightning currents]. Elektrichestvo [Electricity], 1993, no. 2, pp. 28-33.
2. Gushchin I.A. Sravnenie modelei razrusheniya ugleplastika tokami molnii [Comparison of models of destruction of CFRP by lightning current]. Vestnik Chuvashskogo universiteta, 2018, no. 3, pp. 53-59.
3. Karch Q, Metzner Q Lightning protection of carbon fibre reinforced plastics. 33rd Int Conference on Lightning Protection (ICLP), 2016, Sept. 25-30.
4. Krogh T., Bertelsen K., Madsen S. Infrared detection of thermal heat development of isotropic and anisotropic materials during impuls current testing. ICLP, 2010.
5. Madsen S.F., Carloni L. Lightning exposure of Carbon Fiber Composites in wind turbine blades. Journal of Lightning Research. 24th Nordic Insulation Symposium on Materials, Components and Diagnostics, Technical University of Denmark, Copenhagen, 2015, pp. 105-110.
6. Sonehara Kusano K, Tokuoka N., Hirano Y. Visualization of Lightning Impulse Current Discharge on CFRP Laminate, ICLP, 2014, Oct. 11-18.
GUSHCHIN IGOR - Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor of Life Safety and Environmental Engineering Department, Chuvash State University, Russia, Cheboksary (еlpardon@gmail.com).
Формат цитирования: Гущин И.А. Анализ динамики послойного разрушения углепластика токами молнии // Вестник Чувашского университета. - 2019. - № 3. - С. 63-68.
