Simulação multifísica dos efeitos de descargas atmosféricas em materiais compósitos usados no setor aeroespacial

Abstract

O presente trabalho refere-se a uma modelagem numérica de efeitos eletromagnéticos e térmicos, causados por descargas atmosféricas, em modelos de materiais compósitos de fibra de carbono. Tais materiais são amplamente utilizados na indústria aeronáutica, sendo inclusive aplicado na estrutura primária de aeronaves. Assim, este estudo apresenta uma importância substancial para a indústria aeronáutica. Por este motivo, normas desse setor são consideradas na definição de características da descarga atmosférica empregada nas simulações. Contudo, há outros setores que podem se beneficiar deste tema, como por exemplo, a indústria de aerogeradores. Neste trabalho, é mostrado primeiramente alguns estudos recentes relacionados ao estudo dos efeitos de descargas atmosféricas em estruturas de aeronaves de compósitos, assim como algumas soluções adotadas para mitigar tais efeitos. Também são apresentadas propriedades térmicas e elétricas de materiais compósitos de fibra de carbono, baseadas em dados disponíveis na literatura. Utilizou-se o método de diferenças finitas para a solução numérica das equações diferenciais relacionadas a este problema, sendo apresentado o equacionamento utilizado, assim como as considerações feitas para a modelagem do problema físico, do material simulado e suas propriedades físicas. Os resultados mostram que a distribuição de densidade de corrente acompanha a orientação da fibra de carbono, além de estar mais concentrada nas primeiras camadas do material. Para a parte térmica foi observado valores relativamente elevados de temperatura, mas com ocorrência pontual.

Abstract : This work presents the thermal and electromagnetic effects of lightning strikes on models of carbon fiber composite materials. Such materials are widely used in the aerospace industry, including in the primary structure of aircraft. Therefore, this study has a substantial significance for this sector. For this reason, standards from this sector are taken into account for the definition of some characteristics of the lightning strike employed in the simulations. However, there are other areas that may benefit from this study, for instance, the wind turbines industry. In this work it is first presented some recent studies related to the analysis of lightning strike effects on composite aircraft, several solutions that may reduce theses effects are presented as well. It is also shown the thermal and electrical properties of carbon fiber composites based on data available in the literature. The finite difference method has been used for the numerical approach of the differential equations related to this problem, which is presented along with the modeling of the material and its physical properties. The results obtained show the current density following the fiber orientation, which is found concentrated in the first layers of the material. From the thermal simulation, relatively high temperatures were observed, but only in specific points of the mesh representing the material.