[发明专利]一种纤维增强复合材料的人工模拟雷击试验夹具和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纤维增强复合材料的人工模拟雷击试验夹具和方法，具体涉及一种用于带机械连接件的纤维增强复合材料结构件的人工模拟雷击试验的夹具和方法。

背景技术

纤维增强复合材料由于其可以比肩金属材料的力学性能而又质轻的优势在航空航天、汽车以及其他运输制造业中得到越来越广泛的应用。特别地，飞机结构中复合材料的用量在过去的30年中稳定增长。随着复合材料在二类结构(整流罩和雷达罩等)中的应用，其性能的研究得到了广泛的关注。波音787以及空客A350-XWB中复合材料的用量超过飞机重量的50％，包括在主要的承力结构件上的应用量。碳纤维复合材料在飞机结构设计上除了有其在力学性能(强度、模量、抗疲劳)上直接的优势外，还在人们越来越关注的机舱环境、燃油经济性以及维护费用等方面能够为人们带来间接的受益。总之，碳纤维复合材料在高效能结构设计方面有着巨大的潜力。但基于复合材料构件的大量使用而其导电、导热性能差的现状，早在1977年美国国家运输安全委员会向美国民用飞机管理部门、制造商以及政府研究部门提出要关注飞机遭受雷击问题。近年来，飞机复合材料构件的防雷击问题得到了新的关注。《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》部署了大型飞机、探月飞行、载人航天等16个国家重大专项，并在“前沿技术”里强调了材料技术的结构功能复合化、制备和使用过程绿色化发展等，这就从国家需求和材料科学发展两个层面提出了发展先进复合材料技术的必要性、迫切性和前沿性。因此，开展人工模拟雷击环境下纤维增强复合材料的雷击损伤实验研究，对于促进碳纤维增强树脂基复合材料实现在大飞机上的广泛应用，具有重大的现实意义。

人工模拟雷击实验内容主要是研究高强度电流流经复合材料所产生的效应以及复合材料表面雷击附着点周围的雷击效应。为了完成实验，能够产生高压电弧的雷电发生器是必要的。雷电发生器能够产生满足SAE标准的各种模拟实验电流波形。

在飞机结构设计中，虽然结构的整体性始终是设计者追求的目标，但是结构连接是不可避免的。随着整体化结构的应用，构件和紧固件数量大大减少，然而尚存的连接传递的载荷更大，因此也就更为关键。连接部位通常是结构的薄弱环节，这样研究连接部位在遭遇雷击过程中的性能表现就更为关键。另外，铆钉等机械连接件是金属材料，往往是雷电的附着点，所以诸如此类带铆钉等金属机械连接件的复合材料结构件更是关注的重点，其损伤机理以及损伤测试更加贴近实际，需要深入研究。

同时，带金属连接件的试样与单一平板件相比，其接地方式不能再将连接件贯穿的上下面进行接地处理，否则雷电流将沿着金属连接件到下表面的接地电极流走，必须改为四周侧面接地。

为了满足特定的带机械连接件(铆钉等)的试样以及不同尺寸、不同接地方式的试样的测试要求，设计一种可靠、方便的人工模拟雷击实验的材料夹持装置显得十分必要。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种纤维增强复合材料的人工模拟雷击试验夹持装置和方法，可用于带机械连接件的试样以及不同尺寸、不同接地方式的试样雷击试验。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种纤维增强复合材料的人工模拟雷击试验夹持装置，包括绝缘立柱和引雷针，在绝缘立柱的顶部设有上绝缘板，绝缘立柱的底部设有下绝缘板，绝缘立柱的中间凹槽内设有试样夹持机构；所述上绝缘板的中心设有通孔，引雷针的一端由通孔穿过上绝缘板，伸入到待测试样的上方，引雷针的另一端与人工雷电发生设备相连，且在构成的回路中连接有冲击电流测试系统、电流传感器以及示波器；所述下绝缘板上设有导轨，绝缘立柱可沿导轨移动，并可通过固定装置将绝缘立柱固定在导轨的任意位置；所述试样夹持机构包括一端穿过绝缘立柱侧边通孔的导柱，导柱的另一端与金属条螺纹连接，所述金属条与绝缘立柱的凹槽内壁之间设有弹性装置。

所述引雷针穿过上绝缘板的部分套有胶套，通过胶套固定引雷针穿过上绝缘板的长度；

所述绝缘立柱通过沉头螺栓固定在下绝缘板的导轨上；

所述导柱为双头螺柱；

所述金属条为可作为电极的铜条、铁条或铝条；

所述弹性装置为弹簧；

所述弹性装置与绝缘立柱的凹槽内壁之间设有垫片；

所述绝缘立柱，上、下绝缘板均采用环氧树脂、酚醛树脂或玻纤增强的尼龙66材料等绝缘材料；

所述胶套采用的是硅胶弹性体或聚氨酯弹性体等耐热弹性体；

所述引雷针采用的是导电和导热性良好的纯铜材料。