多重雷电流冲击下金属与合金材料损伤机理和损伤特性研究

The investigation of the damage mechanisms and characteristics of the metal materials struck by direct lightning is the fundamental for the safe operation of storage tanks and helicopters under lightning circumstance. Worldwide lightning observations show that more than 70% of lightning ground flashes have multiple strokes. Up to now, both domestic and overseas lightning test equipments can only output single or same waveform repeated impulse current, which can’t simulate the actual comprehensive effects of heat and electro dynamic force shock of actual lightning. Research of metallic materials struck by multiple lightning impulse currents considering the test methods, damage mechanisms and damage characteristics is a desiderated need. Based on the new findings in worldwide lightning current characteristic and parameter observation results and our recently developed test equipment for simulating natural multiple lightning stroke currents, this project investigates the impact of multiple lightning stroke currents on the metal material damage mechanism, damage characteristics, and the impact of metal material coatings and metal fasteners (screws, etc.) on them. The target of this project is to establish the test method of metal materials struck by multiple lightning strokes and to discover the damage mechanism and damage characteristics of metallic materials under actual lightning flashes. A comprehensive comparison of the difference between the test methods of metal materials struck by multiple and single lightning stroke will also be carried out. The project is aimed to further understand the ablation mechanism of metal material under lightning flashes and to establish a corresponding more effective metallic material lightning ablation test method.

金属与合金材料在雷电流冲击下的损伤机理和特性研究是储油罐安全、直升机防雷保护等研究的基础。国内外雷电观测表明，70%以上的地闪有多重回击。当前国内外只开展了单个或重复脉冲模拟的雷击金属损伤试验研究，无法模拟实际多波形多脉冲雷电流造成的电-热综合效应，缺乏多重雷电流下金属损伤试验方法和损伤机理与特性研究。本项目依据国内外对实际雷电流特性和参数的最新认识，借助研制的多波形多脉冲实际雷电流模拟试验设备，采用试验研究与理论分析相结合的方法，研究多重雷电流下金属与合金材料烧蚀试验方法、损伤机理、损伤特性以及涂层保护与金属紧固件的影响。认识多重雷电流下金属与合金材料损伤的机理和特性，并研究采用适当简化模拟实际雷电流方法进行雷击金属损伤试验的合理与可行性，提出模拟雷击金属材料损伤试验的合理有效方法。为进一步认识金属材料在实际雷击下的损伤机理和特性以及建立更有效的防护试验方法提供科学基础。

金属与合金材料遭雷击时的雷电流烧蚀损伤机理和特性研究是储油罐安全、飞机防雷保护等研究的重要基础。国内外的雷电观测表明，70%以上的地闪有多重回击。之前国内外只开展的雷电流金属烧蚀损伤试验多集中于单个或重复电流脉冲模拟的雷击烧蚀损伤试验研究，无法模拟实际多波形多脉冲雷电流造成的电-热综合效应，缺乏多重雷电流下金属损伤试验方法和损伤机理与特性研究。本项目依据国内外对实际雷电流特性和参数的最新认识，借助研制的多波形多脉冲实际雷电流模拟试验设备，采用试验研究与理论分析相结合的方法，研究了多重雷电流下金属与合金材料烧蚀试验方法、损伤机理、损伤特性以及涂层保护与金属紧固件对损伤特性的影响。按照实际雷电流的四种主要电流成分及其特点，即首次回击电流、后续回击电流、回击间持续电流和回击后持续电流分量，本项目开展了大量单脉冲模拟单种雷电流成分和多波形多脉冲模拟实际多重雷电流下钢及其合金与铝及其合金材料样品的烧蚀损伤特性试验。通过图像处理分析、高分辨扫描电子显微镜（SEM）和 X 射线能量色散分析（EDS）等方法分析了单种和多种雷电流成分作用下金属与合金烧蚀的损伤形貌、组织形貌、损伤前后元素原子质量分数变化等，结合不同雷电流分量的特性讨论了不同雷电流分量下金属与合金的损伤特性和损伤机理。项目还针对有机涂层金属板和带紧固件的金属板在模拟雷电流下的烧蚀损伤特性和损伤机理进行了系统的研究。项目研究取得的成果主要包括：（1）建立了一种可减轻电极喷射并解决电弧能量受约束问题的雷电流金属损伤试验方法；（2）建立了基于控制容积有限元法（CVFEM）的雷电流金属温升模型，验证了模型的有效性；（3）认识了不同雷电流分量及其参数对金属损伤特性的影响，建立了雷电流参数与金属损伤特征和温升特性的量化关系；（4）掌握了多分量雷电流连续作用下金属损伤出现的典型特征；（5）认识了有机涂层钢板在模拟雷电流作用下的烧蚀损伤机理和典型特征。

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