碳_酚醛復(fù)合材料燒蝕行為研究

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1、碩士學(xué)位論文碳/酚醛復(fù)合材料燒蝕行為研究RESEARCHONABLATIONBEHAVIOROFCARBON/PHENOLICCOMPOSITES趙小光哈爾濱工業(yè)大學(xué)2015年6月國(guó)內(nèi)圖書分類號(hào)：TB121學(xué)校代碼：10213國(guó)際圖書分類號(hào)：530密級(jí)：公開工程碩士學(xué)位論文碳/酚醛復(fù)合材料燒蝕行為研究碩士研究生：趙小光導(dǎo)師：趙樹山教授申請(qǐng)學(xué)位：工程碩士學(xué)科：航天工程所在單位：航天學(xué)院答辯日期：2015年6月授予學(xué)位單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)ClassifiedIndex:TB121U.D.C:530DissertationfortheDoctoralDegree

2、inEngineeringRESEARCHONABLATIONBEHAVIOROFCARBON/PHENOLICCOMPOSITESCandidate：ZhaoXiaoguangSupervisor：Prof.ZhaoShushanAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：SolidMechanicsAffiliation：SchoolofAstronauticsDateofDefence：June,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInsti

3、tuteofTechnology摘要摘要碳/酚醛復(fù)合材料作為一種防隔熱一體化材料，主要用于高速飛行器大面積區(qū)域熱防護(hù)。熱防護(hù)系統(tǒng)占該類飛行器比重較大，其冗余設(shè)計(jì)對(duì)于整個(gè)飛行器的質(zhì)量控制有關(guān)鍵作用。因此準(zhǔn)確地掌握碳/酚醛復(fù)合材料燒蝕特性能夠解決熱防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過度冗余或防熱可靠性不足的問題。本文針對(duì)典型服役環(huán)境下的體積燒蝕特征，建立了多物理場(chǎng)耦合模型，利用有限元方法實(shí)現(xiàn)了體積燒蝕過程的數(shù)值模擬，開展了碳/酚醛復(fù)合材料熱/力學(xué)響應(yīng)特性分析，為具有長(zhǎng)時(shí)間大面積熱防護(hù)需求的高超聲速飛行器的熱防護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了建設(shè)性支持。本文主要內(nèi)容包括：對(duì)碳/酚醛復(fù)合材料的多物

4、理場(chǎng)耦合機(jī)制進(jìn)行了研究。分析了碳/酚醛復(fù)合材料多場(chǎng)耦合燒蝕過程中的防熱機(jī)理，確定了碳/酚醛復(fù)合材料體積燒蝕特征。從燒蝕過程中多場(chǎng)耦合關(guān)系出發(fā)，推導(dǎo)了碳/酚醛復(fù)合材料體積燒蝕過程中控制體的能量方程、氣體相擴(kuò)散方程、熱化學(xué)反應(yīng)速率方程以及固體相的平衡微分方程。利用有限元軟件（COMSOL）求證了碳/酚醛復(fù)合材料多場(chǎng)耦合燒蝕模型，對(duì)碳/酚醛復(fù)合材料的燒蝕過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。對(duì)低熱流、中等焓值對(duì)流熱流載荷作用下材料的溫度場(chǎng)、位移場(chǎng)、熱解氣體孔隙壓力場(chǎng)、材料的熱解程度以及力學(xué)響應(yīng)做出相應(yīng)預(yù)報(bào)?；跓g模型對(duì)碳/酚醛復(fù)合材料燒蝕特性進(jìn)行了研究。對(duì)于不同的材料性能參數(shù)以

5、及氣動(dòng)熱環(huán)境參數(shù)對(duì)碳/酚醛復(fù)合材料防隔熱效果的影響進(jìn)行了研究，評(píng)價(jià)了各種不同因素的影響顯著性水平，明確了影響碳/酚醛復(fù)合材料燒蝕行為的顯著性因素。關(guān)鍵詞：熱防護(hù)；碳/酚醛；多物理場(chǎng)耦合；燒蝕行為；有限元IAbstractAbstractCarbon/phenoliccomposites,asanewtypeoflightweightthermalprotectionmaterial,ismainlyusedforbluntbody’sheatprotection,forthethermalprotectionmaterialsisalargeproport

6、ionoftheaircraftanditsredundancydesignhasakeyroletothequalitycontrolofthewholeaircraft,sotheaccurategraspofitsablationcharacteristicscansolveexcessiveredundanceortheproblemofinsufficientreliabilityaboutthermalprotectiondesign.Inthispaper,inatypicalserviceenvironment,thecarbon/phen

7、oliccomposites’volumeablationmechanismandmulti-physics-couplingprocessarestudied,andwithFEMmethod,equationaboutmulti-physicscouplingissolved.Meanwhile,inalowheatfluxenvironment,thermalandmechanicalresponseofcarbon/phenoliccompositesisanalyzed,whichsupportsthethermalprotectionrequi

8、rementsforhypersonicaircraft.Inth