防熱復(fù)合材料燒蝕行為的數(shù)值模擬.pdf

1、防熱復(fù)合材料具有優(yōu)良的高溫性能，在高溫?zé)g環(huán)境下可以通過自身發(fā)生燒蝕帶走大量熱量，減小了熱量向結(jié)構(gòu)內(nèi)部的傳遞，從而有效的保護(hù)了內(nèi)部結(jié)構(gòu)，起到了熱防護(hù)的作用。因此在工程應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ψ罒釓?fù)合材料燒蝕行為進(jìn)行研究具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
　　防熱復(fù)合材料在高溫、高焓、高壓的燒蝕環(huán)境中會(huì)發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，從而發(fā)生質(zhì)量損失引起材料的燒蝕?？梢酝ㄟ^對(duì)復(fù)合材料熱化學(xué)燒蝕機(jī)理進(jìn)行分析，耦合能量守恒原理、質(zhì)量守恒原理和熱化學(xué)反應(yīng)平衡原理建立復(fù)合材料

2、的熱化學(xué)燒蝕模型。材料燒蝕過程中存在一個(gè)隨燒蝕時(shí)間移動(dòng)的邊界，需要對(duì)燒蝕移動(dòng)邊界條件下防熱復(fù)合材料的溫度場進(jìn)行求解。
　　有限元數(shù)值模擬方法是解決復(fù)雜工程問題中最常用的方法，且目前針對(duì)不同的工程應(yīng)用問題已經(jīng)開發(fā)出了各類有限元計(jì)算軟件。另外，有限元數(shù)值分析軟件在對(duì)研究問題進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析時(shí)，還提供了強(qiáng)大的后處理功能，可以方便的對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行分析和探討。本文研究工作中，通過有限元數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)不同的防熱復(fù)合材料建立了燒蝕模型，并對(duì)結(jié)構(gòu)

3、劃分了有限元網(wǎng)格，對(duì)有限元數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了研究和分析。
　　在高溫環(huán)境下防熱復(fù)合材料會(huì)發(fā)生熱化學(xué)燒蝕，在熱化學(xué)燒蝕作用下防熱復(fù)合材料會(huì)發(fā)生一系列物理化學(xué)變化。運(yùn)用化學(xué)平衡原理對(duì)碳基復(fù)合材料在高溫條件下發(fā)生的熱化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，對(duì)其在不同表面溫度下燒蝕產(chǎn)物分布進(jìn)行了分析。采用有限元數(shù)值模擬方法對(duì)不同工況下碳/碳復(fù)合材料熱化學(xué)燒蝕作用下的溫度場進(jìn)行了計(jì)算和分析。碳基復(fù)合材料在高溫環(huán)境下會(huì)與空氣組元發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，主要包括碳的氧化

4、反應(yīng)、碳的升華反應(yīng)以及碳氮反應(yīng)等。對(duì)碳/碳復(fù)合材料在燒蝕作用下的溫度場進(jìn)行了數(shù)值分析。通過熱化學(xué)燒蝕原理和表面能量平衡計(jì)算了燒蝕表面的熱流，耦合復(fù)合材料內(nèi)部熱傳導(dǎo)方程對(duì)其溫度場進(jìn)行了計(jì)算和分析。對(duì)高溫環(huán)境下燒蝕表面的退縮進(jìn)行了數(shù)值仿真，計(jì)算了燒蝕移動(dòng)邊界條件下碳/碳復(fù)合材料的溫度場分布。
　　通過對(duì)熱化學(xué)燒蝕機(jī)理的分析，利用有限元方法分析了熱化學(xué)燒蝕、燒蝕表面退縮及溫度場耦合作用下C/C復(fù)合材料的燒蝕性能變化規(guī)律。采用虛擬失效、重

5、新構(gòu)建網(wǎng)格部件的方法實(shí)現(xiàn)燒蝕表面的退縮，建立了燒蝕表面退縮下瞬態(tài)溫度場的有限元模型。運(yùn)用熱化學(xué)燒蝕理論求解了進(jìn)入材料內(nèi)部的凈熱流和燒蝕率。燒蝕表面退縮后變得不規(guī)則，通過編程校正了重新加載熱流時(shí)不規(guī)則表面出現(xiàn)局部熱流偏大的現(xiàn)象。研究結(jié)果表明，隨著燒蝕時(shí)間的增加，進(jìn)入材料內(nèi)部的熱流達(dá)到動(dòng)態(tài)的平衡，材料的燒蝕是多種因素綜合作用的結(jié)果，通過耦合計(jì)算可以真實(shí)反映材料的燒蝕特性。
　　為了揭示在表面燒蝕條件下防熱復(fù)合材料內(nèi)部發(fā)生碳化時(shí)的詳細(xì)響

6、應(yīng)，通過有限元數(shù)值計(jì)算方法對(duì)某碳/酚醛復(fù)合材料的碳化燒蝕過程進(jìn)行了數(shù)值分析。應(yīng)用ALE(Arbitrary Lagrange-Euler)動(dòng)網(wǎng)格方法實(shí)現(xiàn)了材料發(fā)生表面燒蝕時(shí)的邊界退縮，并用Arrhenius定律對(duì)燒蝕過程中材料內(nèi)部的熱分解進(jìn)行了建模。耦合計(jì)算了材料發(fā)生燒蝕時(shí)內(nèi)部熱解反應(yīng)，溫度場分布，碳層及物性參數(shù)的變化。研究結(jié)果表明，燒蝕過程中，材料的熱解由燒蝕表面向材料內(nèi)部滲透，且熱解反應(yīng)程度隨著燒蝕時(shí)間逐漸減小。材料內(nèi)部熱解的持續(xù)滲