Abaqus 复合材料雷击后的电-热-力多场耦合分析

当复合材料遭遇雷击时，复合材料会同时受到电-热-力的耦合作用。根据焦耳热定律，雷电流流过时由材料电阻产生的大量焦耳热量使材料温度上升，导致材料出现烧蚀损伤。烧蚀损伤也会使材料的导电性和导热性能降低。受到雷击作用后，复合材料的性能必然会下降，因此还需要对雷击后复合材料的剩余强度进行分析，定量计算雷击对复合材料承载力的影响。

对复合材料的雷击分析可以分为两个步骤：1 电-热强耦合分析，2 考虑初始烧蚀损伤的复合材料渐进损伤分析。

电-热强耦合分析

电流流过导体的过程中，所耗散的能量会转化为热能，即产生焦耳热。电场控制方程为

电流流过导体耗散的能量可以通过焦耳定律描述

热流密度可以表示为

这里假设耗散的电能全部转换为热量，则η_v=1.

热传导方程可以用下式描述

美国军用标准给出了雷电载荷的波形

选取电流幅值最大的A段作为初始雷击进行分析，A段电流可以用下式描述

A段电流波形如下

最后

建立如图所示的平板进行电-热耦合分析

可以得到平板中心点处不同时间的温度分布如图所示

考虑初始烧蚀损伤的复合材料渐进损伤分析

通过电-热耦合分析得到温度场后，可以根据温度场确定雷击导致的烧蚀区域。通过USDFLD子程序标记烧蚀的单元，并将其损伤设置为1.然后结合UMAT子程序，采用hashin准则对含初始损伤的复合材料平板进行渐进损伤分析，以获得其剩余强度。计算得到的损伤云图和载荷位移曲线如图所示。

Abaqus 通过VUMAT子程序模拟复合材料的低速冲击行为

可以发现，在拉伸载荷作用下，复合材料从雷击点处开始发生破坏，失效过程与中心开孔板类似。通过修改不同的电流峰值，可以定量得到雷击对复合材料强度的影响。