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防热复合材料烧蚀行为的数值模拟

作　者: 杨德军
导　师: 李旭东
学　校: 兰州理工大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 防热复合材料碳基复合材料碳化复合材料烧蚀过程热解反应烧蚀率
分类号: TB33
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

防热复合材料具有优良的高温性能,在高温烧蚀环境下可以通过自身发生烧蚀带走大量热量,减小了热量向结构内部的传递,从而有效的保护了内部结构,起到了热防护的作用。因此在工程应用领域对防热复合材料烧蚀行为进行研究具有重要的应用价值。防热复合材料在高温、高焓、高压的烧蚀环境中会发生一系列物理化学反应,从而发生质量损失引起材料的烧蚀。可以通过对复合材料热化学烧蚀机理进行分析,耦合能量守恒原理、质量守恒原理和热化学反应平衡原理建立复合材料的热化学烧蚀模型。材料烧蚀过程中存在一个随烧蚀时间移动的边界,需要对烧蚀移动边界条件下防热复合材料的温度场进行求解。有限元数值模拟方法是解决复杂工程问题中最常用的方法,且目前针对不同的工程应用问题已经开发出了各类有限元计算软件。另外,有限元数值分析软件在对研究问题进行数值计算分析时,还提供了强大的后处理功能,可以方便的对计算模型进行分析和探讨。本文研究工作中,通过有限元数值计算软件对不同的防热复合材料建立了烧蚀模型,并对结构划分了有限元网格,对有限元数值计算结果进行了研究和分析。在高温环境下防热复合材料会发生热化学烧蚀,在热化学烧蚀作用下防热复合材料会发生一系列物理化学变化。运用化学平衡原理对碳基复合材料在高温条件下发生的热化学反应进行了数值计算,对其在不同表面温度下烧蚀产物分布进行了分析。采用有限元数值模拟方法对不同工况下碳／碳复合材料热化学烧蚀作用下的温度场进行了计算和分析。碳基复合材料在高温环境下会与空气组元发生化学反应,主要包括碳的氧化反应、碳的升华反应以及碳氮反应等。对碳／碳复合材料在烧蚀作用下的温度场进行了数值分析。通过热化学烧蚀原理和表面能量平衡计算了烧蚀表面的热流,耦合复合材料内部热传导方程对其温度场进行了计算和分析。对高温环境下烧蚀表面的退缩进行了数值仿真,计算了烧蚀移动边界条件下碳／碳复合材料的温度场分布。通过对热化学烧蚀机理的分析,利用有限元方法分析了热化学烧蚀、烧蚀表面退缩及温度场耦合作用下C/C复合材料的烧蚀性能变化规律。采用虚拟失效、重新构建网格部件的方法实现烧蚀表面的退缩,建立了烧蚀表面退缩下瞬态温度场的有限元模型。运用热化学烧蚀理论求解了进入材料内部的净热流和烧蚀率。烧蚀表面退缩后变得不规则,通过编程校正了重新加载热流时不规则表面出现局部热流偏大的现象。研究结果表明,随着烧蚀时间的增加,进入材料内部的热流达到动态的平衡,材料的烧蚀是多种因素综合作用的结果,通过耦合计算可以真实反映材料的烧蚀特性。为了揭示在表面烧蚀条件下防热复合材料内部发生碳化时的详细响应,通过有限元数值计算方法对某碳/酚醛复合材料的碳化烧蚀过程进行了数值分析。应用ALE(Arbitrary Lagrange-Euler)动网格方法实现了材料发生表面烧蚀时的边界退缩,并用Arrhenius定律对烧蚀过程中材料内部的热分解进行了建模。耦合计算了材料发生烧蚀时内部热解反应,温度场分布,碳层及物性参数的变化。研究结果表明,烧蚀过程中,材料的热解由烧蚀表面向材料内部渗透,且热解反应程度随着烧蚀时间逐渐减小。材料内部热解的持续渗透,使得材料内部发生质量损失,出现碳化层、热解层和原始材料层的分层现象。在多种因素的耦合作用下,材料的碳化烧蚀有效的起到了热防护作用。

全文目录

摘要  7-9
Abstract  9-12
第1章绪论  12-35
  1.1 课题背景及研究意义  12-15
  1.2 国内外研究现状  15-21
    1.2.1 热防护材料的应用与发展过程  15-17
    1.2.2 烧蚀材料研究现状  17-19
    1.2.3 烧蚀性能测定及研究方法  19-21
  1.3 烧蚀防热复合材料及烧蚀模型  21-33
    1.3.1 烧蚀防热复合材料分类及其烧蚀机理  21-28
    1.3.2 防热复合材料的烧蚀模型  28-33
  1.4 本文主要研究内容  33-35
第2章温度场数值模拟方法研究  35-52
  2.1 引言  35
  2.2 温度场控制方程及能量传递形式  35-38
    2.2.1 瞬态温度场微分控制方程  35-36
    2.2.2 能量的传递形式  36-38
  2.3 温度场数值计算方法  38-49
    2.3.1 有限差分法  38-40
    2.3.2 有限元方法  40-49
  2.4 算例及分析  49-51
  2.5 本章小结  51-52
第3章防热复合材料热化学烧蚀产物数值分析  52-68
  3.1 引言  52
  3.2 热化学烧蚀理论概要  52-56
    3.2.1 边界层控制方程  52-54
    3.2.2 化学平衡边界层理论  54-56
  3.3 最小自由能原理及化学平衡  56-59
    3.3.1 最小自由能原理  56-58
    3.3.2 化学平衡  58-59
  3.4 烧蚀产物分析的原理和方法  59-61
    3.4.1 质量守恒方程  59-60
    3.4.2 烧蚀产物计算方法  60-61
  3.5 碳基复合材料热化学烧蚀产物数值分析  61-67
    3.5.1 碳基复合材料表面烧蚀反应  61-63
    3.5.2 算例及分析  63-67
  3.6 本章小结  67-68
第4章 C/C复合材料的烧蚀和温度场耦合分析  68-85
  4.1 引言  68
  4.2 瞬态温度场求解的数值计算方法  68-70
  4.3 C/C复合材料表面化学反应数值计算  70-75
    4.3.1 表面化学反应及化学平衡关系  71-72
    4.3.2 质量守恒方程  72-75
  4.4 烧蚀表面热流  75
  4.5 烧蚀性能分析  75-76
  4.6 烧蚀条件下瞬态温度场的计算  76-79
    4.6.1 烧蚀表面退缩的数值模拟  76
    4.6.2 烧蚀型面热流的加载  76-78
    4.6.3 温度场和烧蚀的耦合算法  78-79
  4.7 算例分析  79-83
  4.8 本章小结  83-85
第5章碳化烧蚀材料内部热响应数值分析  85-100
  5.1 引言  85
  5.2 计算理论和方法  85-89
    5.2.1 材料热解过程的数值模拟  86-87
    5.2.2 材料内部能量方程  87-88
    5.2.3 表面能量守恒方程  88
    5.2.4 材料性能参数计算  88-89
  5.3 烧蚀边界处理及动网格方法  89-91
  5.4 烧蚀内部热响应求解技术路线  91-92
  5.5 算例分析  92-99
  5.6 本章小结  99-100
结论  100-102
参考文献  102-111
致谢  111-112
附录攻读学位期间所发表的学术论文目录  112

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