雷擊
關注創建者：320科技工作室 創建時間：2019-09-14
雷擊的視頻教程
復合材料雷擊損傷——基于abaqus的雷擊過程及剩余強度仿真
課程大綱： 1.雷電弧模型2.電熱耦合模型3.復合材料熱解模型4.復合材料剩余強度分析模型 通過本課程學習，大家可以了解復合材料雷擊仿真的基本要素，理解雷擊作用下復合材料失效機理，掌握復合材料雷擊過程模擬仿真能力。
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考慮熱-電-力-化耦合的復合材料雷擊損傷分析
本課程講解了如何通過abaqus軟件對復合材料雷擊損傷進行分析。通過考慮雷擊過程的電-熱-力-化學多場耦合，計算了復合材料雷擊過程中的電場、溫度場、損傷場及熱解度場。同時也對復合材料雷擊后的剩余強度進行了分析，講解了不同場在計算中的傳遞方法，獲得了雷擊對復合材料的影響效果。
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達索系統SIMULIA土木行業仿真黑科技
建筑防雷擊分析、環境噪聲分析 ii.?油氣工程的多尺度建模分析 iii.?某設計院某公路下穿鐵路立交方案數值分析 iv.?巴拿馬運河船閘擴建項目 v.?建筑物抗爆分析 vi.?極端洪水和地震荷載作用下的大壩性能 vii.?某水電站直埋式蝸殼結構分析 viii.?
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雷擊的實例教程
歡迎收看本期節目，作為“雷擊”學家，今天就為大家深度剖析——飛機是如何對抗雷擊的？
雷電——伴有閃電和雷鳴的一種靜電放電現象。在冰晶的凇附、水滴的破碎以及空氣對流的過程中，云層會產生電荷。其實，實際云層中的電荷分布非常復雜，但總體而言，云層的上部以正電荷為主，云層下部以負電荷為主。當上、下部的電位差達到一定程度后，就會產生放電，這就是所謂的雷電現象。雷電可以分為很多類型：云層內部、不同云層間、云層到地面等等。飛機遭遇雷擊的大多數為云層到地面這一類型。因此，飛機在爬升和下降的過程中，遭遇雷擊的概率更大。
據統計，全球每天發生雷電的次數約800萬次，但是，因雷擊而出現的飛行事故卻鮮少聽聞，這是為什么呢？
首先，雷電有很強的季節、地域和高度差異。其次，在氣象雷達的幫助下，飛機不會主動接近雷區。FAA規定：飛機只能在雷云附近飛行，不能飛在雷云上部或者下部；不能在暴風雨中心20英里內飛行。
同時，設計師在使用新材料前，會對所有可能事故進行模擬測試，試飛員會故意飛入雷云中以測試新材料的強度。事實上，雷云中極端亂流對飛機的影響遠遠大于雷擊。
某種程度上，雷擊效應與電流十分相似。通常會從飛機的某一點進入，從另一點離開。這時，雷電會選擇電阻最小的路徑，所以，并不是飛機上的所有部件都會遭受這個效應。純鋁制成的飛機就像一個“法拉第籠”，保護著飛機內部的人員和設備。復合材料制成的飛機或者部件，內部有一個類似銅箔制成的夾層，也能達到類似的效果。當外部電磁場作用于籠子時，金屬中的自由電子會發生移動，以抵消試圖進入籠子中的輻射。
對抗雷擊不能僅依靠外部，內部設計同樣很重要。
展開 當復合材料遭遇雷擊時，復合材料會同時受到電-熱-力的耦合作用。根據焦耳熱定律，雷電流流過時由材料電阻產生的大量焦耳熱量使材料溫度上升，導致材料出現燒蝕損傷。燒蝕損傷也會使材料的導電性和導熱性能降低。受到雷擊作用后，復合材料的性能必然會下降，因此還需要對雷擊后復合材料的剩余強度進行分析，定量計算雷擊對復合材料承載力的影響。
對復合材料的雷擊分析可以分為兩個步驟：1 電-熱強耦合分析，2 考慮初始燒蝕損傷的復合材料漸進損傷分析。
電-熱強耦合分析
電流流過導體的過程中，所耗散的能量會轉化為熱能，即產生焦耳熱。電場控制方程為
電流流過導體耗散的能量可以通過焦耳定律描述
熱流密度可以表示為
這里假設耗散的電能全部轉換為熱量，則ηv=1.
熱傳導方程可以用下式描述
美國軍用標準給出了雷電載荷的波形
選取電流幅值最大的A段作為初始雷擊進行分析，A段電流可以用下式描述
A段電流波形如下
最后
建立如圖所示的平板進行電-熱耦合分析
可以得到平板中心點處不同時間的溫度分布如圖所示
考慮初始燒蝕損傷的復合材料漸進損傷分析
通過電-熱耦合分析得到溫度場后，可以根據溫度場確定雷擊導致的燒蝕區域。通過USDFLD子程序標記燒蝕的單元，并將其損傷設置為1.然后結合UMAT子程序，采用hashin準則https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1206124對含初始損傷的復合材料平板進行漸進損傷分析，以獲得其剩余強度。計算得到的損傷云圖和載荷位移曲線如圖所示。
可以發現，在拉伸載荷作用下，復合材料從雷擊點處開始發生破壞，失效過程與中心開孔板類似。通過修改不同的電流峰值，可以定量得到雷擊對復合材料強度的影響。
展開 當復合材料遭遇雷擊時，復合材料會同時受到電-熱-力的耦合作用。根據焦耳熱定律，雷電流流過時由材料電阻產生的大量焦耳熱量使材料溫度上升，導致材料出現燒蝕損傷。燒蝕損傷也會使材料的導電性和導熱性能降低。受到雷擊作用后，復合材料的性能必然會下降，因此還需要對雷擊后復合材料的剩余強度進行分析，定量計算雷擊對復合材料承載力的影響。
對復合材料的雷擊分析可以分為兩個步驟：1 電-熱強耦合分析，2 考慮初始燒蝕損傷的復合材料漸進損傷分析。
電-熱強耦合分析
電流流過導體的過程中，所耗散的能量會轉化為熱能，即產生焦耳熱。電場控制方程為
電流流過導體耗散的能量可以通過焦耳定律描述
熱流密度可以表示為
這里假設耗散的電能全部轉換為熱量，則ηv=1.
熱傳導方程可以用下式描述
美國軍用標準給出了雷電載荷的波形
選取電流幅值最大的A段作為初始雷擊進行分析，A段電流可以用下式描述
A段電流波形如下
建立如圖所示的平板進行電-熱耦合分析
可以得到平板中心點處不同時間的溫度分布如圖所示
考慮初始燒蝕損傷的復合材料漸進損傷分析
通過電-熱耦合分析得到溫度場后，可以根據溫度場確定雷擊導致的燒蝕區域。通過USDFLD子程序標記燒蝕的單元，并將其損傷設置為1.然后結合UMAT子程序，采用hashin準則https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1206124對含初始損傷的復合材料平板進行漸進損傷分析，以獲得其剩余強度。計算得到的損傷云圖和載荷位移曲線如圖所示。
可以發現，在拉伸載荷作用下，復合材料從雷擊點處開始發生破壞，失效過程與中心開孔板類似。通過修改不同的電流峰值，可以定量得到雷擊對復合材料強度的影響。
有Abaqus相關的問題可以聯系扣扣1653004885
展開 0-1μs溫度變化過程
在1μs時不同層的溫度結果：
第一層0°
第二層45°
第三層-45°
第四層90°
從結果可知雷擊附著點周邊溫度急劇上升，在1μs已超過1000℃，最高達2850℃，這將超材料的燃點，因此雷擊位置處的部分區域將被“燒穿”。
小結：
1. 雷擊的直接效應仿真可使用LF Time Domain Solver和 Transient Thermal Solver分別進行電磁和熱的仿真。
2. 復合材料的建模選擇各向異性材料，根據坐標系類型可使用Local Solid Coordinate System。
3. 為了獲得更好的仿真結果，應當在雷擊附著點適當加密網格。
4. 使用SAM工具支持將avg_ohmic_loss結果直接導入熱仿真作為激勵源。
5. 熱仿真需要設置相應的熱表面屬性和邊界條件。
文章來源CST仿真專家之路
展開 本文原載于Ansys Advantage：《Lighting Simulation: Susceptibility Matches Field Results》
俗話說，雷擊總是不期而遇。
雖然這個表述在很多時候都用來隱喻突發奇想，然而對飛機制造商和航空監管方來說，雷擊卻是真真正正的一大顧慮，特別是考慮到商業飛機每飛行1,000小時就很可能遭遇一次雷擊。有關如何掌握雷擊產生的影響，一些飛機制造商有自己非同尋常的想法。
座艙網格劃分模型
歐洲航空航天界的翹楚空中客車，近期使用Ansys EMA3D和MHARNESS，在采用金屬、碳纖維復合材料、銅箔的混合座艙設計中，仿真抗雷擊性能。這次仿真屬于專注于開發未來飛機的技術研究項目的組成部分，旨在開發出兼具高度環保、成本效益超群的航空運輸系統。
具體而言，空中客車工程師希望驗證模型能以多精確的準確性預測坐艙復雜電子裝置和布線系統在感應瞬態影響下的整體電磁行為。這有助于他們了解仿真結果與現場測試結果的吻合度。
對物理測試的補充
一次雷擊可能產生數百萬伏特電壓，數十萬安培電流。當這樣強大的能量注入到飛機里時，可能會對飛機造成嚴重破壞。
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可靠性高：通過增強抗異常輸入電壓、抗雷擊浪涌性能，即使輸入電壓不穩定也可實現穩定運行。
使用壽命長：采用日系的105℃電解電容，實現穩定的品質和長使用壽命。放心無償保證期3年。
12V、24V輸出機種另備有基板涂層產品可選，提高耐環境性。
寬電范圍輸入：AC100-120V、AC200-240V系列。
產品系列齊全：網羅FA應用中主要的輸出電壓和功率。
此外，它的非導電性還能使其免受雷擊。
交通運輸
基于FBG的傳感器重量輕、安全性高，可安裝在列車受電弓上。這些無源元件無需主動供電即可運行，而解調儀可以在非高壓區域安裝和供電。
研發
基于FBG的傳感器可抵御從低溫到高輻射和真空等各種惡劣環境，是研究和開發項目的重要資產。此外，將它們直接集成到復合材料中也有利于智能材料的發展。
超寬電壓設計，適合6-36V電壓下使用、內置過流自動恢復、防反接，防浪涌雷擊保護防護等級IP67。
Comsol金屬氧化物避雷器（MOA）電-熱耦合計算
關鍵詞：電磁避雷器；電-熱耦合；有限元；數值計算
1 避雷器電-熱特性研究
1.1 避雷器
避雷器：用于保護電氣設備免受雷擊時高瞬態過電壓危害，并限制續流時間，也常限制續流幅值的一種電器。避雷器有時也稱為過電壓保護器，過電壓限制器。如圖1所示就是避雷器實物圖。
圖1.
（10）防雷接地
光伏電站因安裝在建筑頂部，容易遭受雷擊，需要安裝防雷接地，將浪涌電流導引至地下起到保護系統的作用。
無論是高效的能量傳輸、對雷擊的免疫性，還是任何其他預期用途。</p><p><strong>3) 斷路器測試</strong></p><p>如果電網裝置或大功率牽引電池發生故障，斷路器會控制并安全地切斷短路電流。HBK解決方案使您能夠在各種條件下徹底測試這些關鍵部件。</p><p><strong>4) 變頻器測試</strong></p><p>優化現代變頻器系統需要創新的測量儀器。
美國國防預先研究計劃局（
DARPA
）在
2013
年啟動了
VTOL X-Plane
項目，其中美國極光公司提出的
XV-24“
雷擊
”
無人機采用
24
個涵道風扇提供動力（如圖
1
所示）
，前部機翼對稱分布
6
個，后部機翼對稱分布
18
個，小型化設計的涵道風扇被集成在雙層機翼內部，通過融合設計獲取良好的氣動特性來實現垂直起降和高速巡航
結構長度 700~1400mm，寬度 200~400mm，厚度2.8mm，具有復雜雙曲率外形，表面鋪設有防雷擊銅網表面，如圖 11 所示。
圖10 空客A340飛機發動機短艙吊架
圖11 空客A340飛機發動機短艙吊架蒙皮
由法國 Daher 公司承制的空客 A380 飛機發動機短艙吊架蒙皮如圖 12 所示。
發動機的防雷擊測試
盡管保護整個飛機免受雷擊的系統仍在研究中，還在尋找更好的解決方案。但在此之前，所有的航空發動機都要測試其在高壓下的反應。
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