Александр Бормотов,
инженер-конструктор отдела инженерного анализа, ООО «НОВА-Инжиниринг»
Актуальной проблемой обеспечения безопасности авиационных конструкций является развитие адекватных математических моделей экстремальных внешних воздействий, в первую очередь — прямого удара молнии. В статье рассматривается комплексный подход к численному моделированию прямого воздействия молнии на элемент обшивки из полимерного композиционного материала (ПКМ) с использованием программного комплекса Ansys. Описана методика, включающая гомогенизацию свойств многослойной структуры, а также последовательное решение сопряженных электромагнитной, тепловой и прочностной задач.
В условиях ужесточения требований к безопасности полетов и широкого применения полимерных композиционных материалов в конструкциях авиационной техники, особое значение приобретает задача по обеспечению их защиты от молниевого воздействия. Композиты, в отличие от металлов, обладают гораздо более низкой электропроводностью, что делает их уязвимыми к тепловому и механическому разрушению при протекании импульсных токов молнии. Моделирование данного процесса является сложной мультифизической задачей, требующей учета электромагнитных, тепловых и механических явлений.
При том что традиционные натурные испытания являются дорогостоящими, они не всегда позволяют детально изучить механизм повреждения материала. В связи с этим развитие и внедрение методов численного моделирования становится приоритетным направлением. Одним из наиболее эффективных инструментов для решения подобных задач является программный комплекс Ansys, обладающий широкими возможностями для связанного анализа.
Целью данной работы является численное моделирование прямого воздействия удара молнии на элементы конструкции из полимерных композиционных материалов. На основе выполненных расчетов были разработаны методические указания для компании заказчика, которые позволили решать аналогичные задачи для других типов композитных конструкций.
В качестве объекта исследования был выбран элементарный образец (рис. 1), представляющий собой плоскую монолитную конструкцию из полимерного композиционного материала. Материал изготовлен на основе полимерного связующего, армированного углепластиковым волокном.
Рис. 1. Внешний вид тестируемого образца
Образец имеет квадратную форму размером 800×800 мм. Общая толщина конструкции — 2,62 мм. Для повышения жесткости образец укреплен ребрами, которые расположены на внутренней стороне и имеют высоту 50 мм.
Такая геометрия позволяет смоделировать типовой элемент авиационной обшивки. Ребра жесткости имитируют реальную конструкцию, где плоские панели усиливаются подкрепляющими элементами для восприятия внешних нагрузок.
Образец предназначен для проведения исследований воздействия импульсного тока молнии на элементы авиационной обшивки из ПКМ. Внешняя сторона образца с покрытием подвергается прямому воздействию разряда молнии, что моделирует реальные условия эксплуатации авиационных конструкций. Исследование проводится при нормальных атмосферных условиях с начальной температурой материалов, соответствующей стандартным условиям.
Для моделирования используется нормированный импульс тока молнии (рис. 2), включающий четыре компонента (A, B, C/C* и D) с заданными амплитудами, длительностями и переносимыми зарядами. Компонент А представляет собой ток первого обратного разряда с амплитудой 200 кА, компонент В — промежуточную составляющую разряда, компонент С — постоянную составляющую, а компонент D — повторный обратный разряд молнии.
Рис. 2. Форма нормированного импульса тока молнии
При моделировании воздействия удара молнии на элементы корпуса из полимерных композиционных материалов (ПКМ) в качестве основного инструмента был выбран программный комплекс Ansys. Однако сложная многослойная структура композитов создавала определенные технические сложности.
Такие сложности возникают изза того, что модуль для проведения электромагнитного (HFSS) расчета не поддерживает прямое моделирование многослойных структур с использованием специальных типов конечных элементов. Инструмент, представленный в среде программного обеспечения Ansys, Ansys Granta Selector позволяет одновременно усреднять свойства не более чем для семи слоев. В нашем же случае в композитную пластину входило гораздо большее количество слоев, состоящих из следующих материалов: медная сетка, пленочный клей, стеклопластик, а также два вида углепластика.
Процесс усреднения свойств проводился в несколько этапов, соответствующих структурным особенностям исследуемого материала. На первом этапе выполнялось первичное усреднение комбинированного слоя, состоящего из клея, медной сетки и снова клея в Ansys Material Designer (рис. 3). Данная трехслойная структура рассматривается как единый однородный материал с интегрированными свойствами.
Рис. 3. Усреднение свойств комбинированного слоя «медная сетка с ячейками + клей», результатом чего было вычисление эквивалентных свойств и масштабирование на слой
Следующим этапом выполнялось усреднение свойств пакетов, состоящих из стеклопластика и углепластика. Как было сказано выше, модуль Ansys Granta Selector позволяет усреднять свойства не более чем для семи слоев. В нашем же случае композитная пластина состояла из гораздо большего количества слоев, что делало использование данного решения невозможным. Для этого было применено специализированное программное обеспечение Antaria Materials (рис. 4). Этот инструмент обладает широкими возможностями для послойного анализа и усреднения характеристик гетерогенных материалов, что особенно важно при работе с многослойными композитными структурами. Отдельные слои были объединены в более крупные пакеты, для которых были вычислены эффективные механические и электрические свойства. Эти усредненные характеристики затем и использовались в электромагнитном расчете. Такой подход позволил сохранить физическую корректность модели, соблюдая при этом технические ограничения используемых программных модулей.
Рис. 4. Интерфейс Antaria Materials для усреднения свойств композитных материалов
В материаловедении общее правило смеси — это средневзвешенное значение, используемое для прогнозирования различных свойств композитного материала. Оно обеспечивает теоретические верхние и нижние границы таких свойств (см. рис. 4), как модуль упругости, предел прочности на растяжение, теплопроводность и электропроводность. В целом существует две модели: одна для осевой нагрузки (модель Фойгта), и одна для поперечной нагрузки (модель Ройсса).
Данный метод широко используется для получения усредненных свойств слоистых материалов (в том числе и сэндвичпанелей) и реализован в ряде программных комплексов, например в Ansys Granta Selector, Ansys Composites PrepPost (ACP), Antaria Materials, Digimat и др.).
Все инструменты расчета объединены через Ansys Workbench, что позволяет автоматически передавать данные между модулями: от электромагнитного анализа к тепловому, а затем к прочностному. В рамках работы расчеты выполнялись по двум сценариям. Первый предполагал использование нестационарной связанной постановки с применением мультифизичных элементов (рис. 5а). Второй сценарий основывался на последовательной передаче данных между модулями без использования связанных элементов (рис. 5б).
Рис. 5. Рабочая среда в Ansys Workbench, демонстрирующая сочетание модулей для расчета удара молнии в композитную пластину
Главный качественный результат моделирования — визуализация зоны термического повреждения. Тепловая карта в конце импульса показывает область, где температура превысила критические пороги для полимерной матрицы (рис. 6). Эта зона имеет вытянутую форму, повторяющую пути растекания тока, и не является идеально круглой. Такая форма объясняется анизотропией электропроводности композитного материала.
Рис. 6. Геометрия испытательного стенда с композитной пластиной: а — 3D-отображение расчетной модели в Ansys HFSS; б — карта распределения поверхностной плотности тока в Ansys HFSS, J_surf, A/m
С количественной точки зрения основным критерием является оценка глубины прогрева. Изза малой длительности импульса (десятки микросекунд) глубина существенного нагрева оказалась небольшой. Это означает, что основное повреждение носит поверхностный характер. Силовые слои углепластика, расположенные глубже, остаются неповрежденными, а их нагрев незначителен.
Такой результат является прямым указанием на эффективность примененной системы молниезащиты. Медная сетка в верхнем слое успешно отводит ток, не допуская его проникновения в глубину конструкции. При этом тепловая энергия концентрируется в защитных слоях, предохраняя несущую структуру от разрушения.
В рамках данной работы разработана и апробирована методика численного моделирования удара молнии по композитной пластине с использованием программного комплекса Ansys. Объединение модулей Ansys HFSS, Icepak и Mechanical в среде Workbench позволяет автоматически передавать данные между расчетами и комплексно оценивать электромагнитные, тепловые и прочностные характеристики конструкции.
Результаты распределения плотности тока в Ansys HFSS в сравнении с получаемыми температурными полями в Ansys Icepak
Однако сложная многослойная структура композита потребовала предварительной гомогенизации свойств, поскольку модули HFSS и Icepak не поддерживают прямое моделирование большого количества слоев. Применение Material Designer и специализированного программного обеспечения Antaria Materials позволило получить эффективные характеристики для расчетов, сохранив физическую корректность модели.
Результаты моделирования показали, что зона термического повреждения имеет вытянутую форму, повторяющую пути растекания тока. Изза малой длительности импульса глубина прогрева оказалась небольшой, а основное повреждение носит поверхностный характер. Силовые слои углепластика остаются неповрежденными, что подтверждает эффективность примененной системы молниезащиты с медной сеткой. Однако динамика возрастающего импульсного воздействия говорит о том, что пробой возможен при увеличении импульсного тока.
На основе выполненных расчетов разработаны методические указания для компаниизаказчика. Предложенный подход может использоваться при проектировании систем молниезащиты авиационной техники и решении аналогичных задач для других типов композитных конструкций.
