波音 787 梦幻客机的创新之处在于：其机身使用了超过 50% 的碳纤维复合材料。虽然这种飞行器复合材料具有重量轻和强度极佳等优点，但它们本身并不导电，因此需要额外的防护涂层来降低雷击损坏。本篇博客中，我们介绍了如何使用多物理场仿真来计算防护涂层中与典型飞行周期相关的温度波动所造成的热应力和位移。

飞行器复合材料的高性能涂层

下图显示了波音 787 梦幻客机中大量使用的高级复合材料。这种具有高强度重量比的材料通过将碳纤维填料分散在一层轻质聚合物粘合剂表面来生成，也称为碳纤维增强塑料 (CFRP)。许多机翼部件中都用到了 CFRP，保证了能在尽量减少增重的前提下承受飞行所带来的载荷。

波音 787 机身中采用的高级复合材料。版权所有©：波音。

尽管 CFRP 具有极高的强度和较轻的重量，但其导电率并没有作为对等品的铝那么高，所以很容易受到雷击的破坏。因此，会在复合结构层合板中加入导电多孔金属箔 (EMF) 来消散由雷击产生的高电流及热量，如下图所示。

图片是来自本篇博客所介绍的 COMSOL Multiphysics® 软件模型中的屏幕截图。版权所有

左图显示的复合结构层合板由右图显示的多孔金属箔层构成。

图片还显示了 EMF 上方的额外涂层，主要用于防止水分和环境物质的进入，以免引起腐蚀。对 EMF 的腐蚀性损坏会降低其电导率，进而影响它为飞机结构提供雷击损害防护的能力。此外，地空飞行周期所造成的温度变化，还会逐渐在表面防护方案中造成开裂，降低它的有效性。

热应力、位移和裂缝形成

起飞和降落时，飞机结构将分别经历冷却和加热。在复合结构的深度方向，热应力表现为所有相邻层之间的膨胀与收缩，并最终造成位移。虽然这一风险不会对飞机的单个往返航程造成明显威胁，但随着时间的推移，复合材料结构中每层的变化会逐渐造成疲劳损伤累积。反复出现的热应力会造成应变的累积和位移的增大，最终加剧裂缝形成的风险。材料的应力取决于它的机械属性，这可以通过一些可测量的属性进行量化，如屈服强度、杨氏模量和泊松比。

模拟热应力和地空飞行周期

考虑材料的热和力学属性后，我们就能够使用仿真来设计和优化飞行器复合材料的表面防护方案，从而尽量降低应力、位移和裂缝形成的风险。