碳-碳復(fù)合材料喉襯熱結(jié)構(gòu)分析及失效行為研究.pdf

1、噴管喉襯是固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件之一，要承受高溫高壓，固體粒子的沖刷以及高溫燃?xì)獾臒峄瘜W(xué)侵蝕等。惡劣的工作環(huán)境對(duì)喉襯部件的安全性造成嚴(yán)重影響，而喉襯部件的安全性對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)能否正常安全工作至關(guān)重要。本文以固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)碳/碳復(fù)合材料噴管喉襯為研究對(duì)象，使用ABAQUS有限元軟件，建立了在接觸熱阻、燒蝕動(dòng)邊界和界面脫粘等因素影響下的喉襯熱結(jié)構(gòu)計(jì)算方法，揭示了決定喉襯失效的關(guān)鍵因素，研究了喉襯的失效行為。
　　本文首先對(duì)喉襯組件進(jìn)

2、行了溫度場(chǎng)分析。計(jì)算中分別考慮了接觸熱阻和燒蝕動(dòng)邊界兩個(gè)影響因素，分析其對(duì)溫度場(chǎng)的影響。結(jié)果表明，接觸熱阻大于1′10-4m2×℃/W時(shí)對(duì)溫度場(chǎng)影響較大，計(jì)算時(shí)必須考慮接觸熱阻的影響。而當(dāng)接觸熱阻小于1′10-4m2×℃/W時(shí)，對(duì)溫度場(chǎng)影響不是很明顯，在計(jì)算時(shí)可以忽略接觸熱阻的影響。燒蝕動(dòng)邊界對(duì)喉襯內(nèi)壁的溫度場(chǎng)分布影響較小，但對(duì)喉襯外壁溫度分布有較大影響，且隨著工作時(shí)間的增加，影響越來(lái)越明顯。最后綜合這兩個(gè)影響因素計(jì)算得到了喉襯組件在復(fù)

3、雜環(huán)境下的溫度場(chǎng)。其次，在已知溫度場(chǎng)結(jié)果的基礎(chǔ)上，采用順序耦合方法，計(jì)算了喉襯組件的應(yīng)力場(chǎng)。分析了接觸熱阻和燒蝕動(dòng)邊界對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的影響以及考慮界面脫粘情況下喉襯應(yīng)力場(chǎng)分布，分析了脫粘前后喉襯部件的徑向和軸向應(yīng)力極值特征。結(jié)果表明，接觸熱阻對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的影響與對(duì)溫度場(chǎng)影響的結(jié)論一致；燒蝕動(dòng)邊界對(duì)喉襯外壁徑向和軸向應(yīng)力影響較大，而且燒蝕動(dòng)邊界對(duì)喉襯徑向應(yīng)力的影響明顯高于軸向。綜合各個(gè)影響因素，計(jì)算得到了復(fù)雜環(huán)境下喉襯應(yīng)力場(chǎng)。結(jié)果表明：工作結(jié)束時(shí)徑

4、向拉應(yīng)力為88MPa，壓應(yīng)力為189MPa；軸向拉應(yīng)力為71MPa，壓應(yīng)力為144MPa。最后，在溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分析的基礎(chǔ)上，使用擴(kuò)展有限元的方法對(duì)喉襯的破壞失效行為進(jìn)行了初步研究。結(jié)果表明，喉襯在熱應(yīng)力作用下會(huì)出現(xiàn)斷裂破壞；喉襯對(duì)擴(kuò)張段的擠壓作用會(huì)導(dǎo)致擴(kuò)張段整體斷裂；界面脫粘現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致喉襯與背壁之間出現(xiàn)狹小縫隙，喉襯與擴(kuò)張段相接觸的地方有相互錯(cuò)開(kāi)的現(xiàn)象。破壞模式的研究對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)喉襯組件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和材料的選取具有一定的工程實(shí)用價(jià)值