高性能装配重点实验室
近期，课题组在复合材料连接结构雷击损伤研究中取得进展，相关学术成果以“Lightning damage analysis of composite bolted joint structures based on thermal-electrical-structural simulation”为题目发表在复合材料领域力学TOP期刊Composite Structures（IF=6.3）上，课题组程晖教授和西安交通大学孙晋茹教授为共同通讯作者，博士研究生朱宇晨为论文第一作者。
研究背景
复合材料连接结构广泛应用于航空航天领域，作为关键的受力和承载部位，其性能直接影响整体结构的安全性与可靠性。然而，在雷击条件下，复合材料连接结构易受到复杂的电-热耦合作用，导致局部损伤加剧。尤其是在螺栓连接处，电流的集中效应会引发材料层间分层、裂纹扩展及热损伤等破坏现象。针对这一关键问题，本文采用热电结构耦合模型，对螺栓连接结构在雷击作用下的损伤特性进行系统分析，探讨干涉连接行为对损伤机制的影响。
研究内容
本研究旨在分析连接行为对复合材料螺栓连接中雷电烧蚀损伤的影响。本文通过构建雷电烧蚀损伤模型（如图1），分析了复合材料干涉配合连接结构的雷击损伤特性。分析螺栓接触区域的电热传导过程，并结合实验验证结果定性/定量分析，揭示干涉连接行为导致的雷击损伤规律。
图1：雷电烧蚀损伤模型
在两端接地的条件下（E=0V），电流传导顺序为：0° > ±45° > 90°。紧固件-复合材料界面出现显著的“趋肤效应”，如图 2。
图2：典型层的层内电流密度空间分布：(a) 0°铺层方向；(b) 45°铺层方向；(c) -45°铺层方向；(d) 90°铺层方向
电流的焦耳热效应与导热行为共同作用，导致热流密度在厚度方向上呈规律性分布，如图 3-图 4。
图3：(a) 电流密度时间分布; (b) 热流密度空间分布
图4：典型层的层内热流密度空间分布：(a) 0°铺层方向；(b) 45°铺层方向；(c) -45°铺层方向；(d) 90°铺层方向
干涉损伤和螺栓预紧力共同作用，最明显的损伤发生在 CFRP 板厚度方向的中下部区域，而其余区域的损伤受到抑制，如图 5-图 7。
图5：层间13至24的界面模拟温度等值线图
图6：层间13至24的层间损伤模式的实验CT扫描结果
图7：温度等值线叠加和 CT 扫描损伤投影：(a) 平面内温度等值线叠加；(b) 平面内 CT 扫描损伤投影；(c) 厚度方向温度等值线叠加；(d) 厚度方向 CT 扫描损伤投影
面内损伤和厚度方向损伤分布显著不同，实验与模拟面内损伤的误差为7.37%，验证了模型的高准确性。而厚度方向的误差为 40.02%，反映出在捕捉厚度损伤的全部范围方面存在一定的局限性，如图8。
图8：模拟损伤面积与实验损伤面积的比较：（a）每个区间的损伤面积；（b）平面内和厚度方向的预测损伤面积
研究总结
本文开发了复合材料干涉连接结构的雷击烧蚀损伤分析模型，系统研究了连接行为对雷击损伤特性的影响。研究发现，在雷击过程中，紧固件与复合材料界面出现显著的“趋肤效应”，导致电流集中分布，显著升温。干涉连接结构的损伤主要集中在复合材料厚度方向的中下部区域，而其他区域因干涉损伤和螺栓预紧力的共同作用，损伤程度受到明显抑制。
模型在面内方向预测准确性良好，而在厚度方向存在一定局限性。未来工作将通过优化材料行为的表示方法，以及改进紧固件与复合材料层间相互作用的建模方式，进一步提升模型对厚度方向损伤的预测能力。此外，还将关注衬套螺栓在雷击防护中的应用，探索其在提升抗雷击能力方面的潜力。
原始文献
Yuchen Zhu, Yuan Li, Jinru Sun, Chuang Liu; Xiangjie Xu, Kaifu Zhang, Hui Cheng. Lightning damage analysis of composite bolted joint structures based on thermal-electrical-structural simulation. [J]. Composite Structures, 2025, 352: 118720.
原文链接：10.1016/j.compstruct.2024.118720.
文章转自高性能装配重点实验室
