防熱復合材料燒蝕行為的數(shù)值模擬.pdf

1、防熱復合材料具有優(yōu)良的高溫性能，在高溫燒蝕環(huán)境下可以通過自身發(fā)生燒蝕帶走大量熱量，減小了熱量向結構內部的傳遞，從而有效的保護了內部結構，起到了熱防護的作用。因此在工程應用領域對防熱復合材料燒蝕行為進行研究具有重要的應用價值。
　　防熱復合材料在高溫、高焓、高壓的燒蝕環(huán)境中會發(fā)生一系列物理化學反應，從而發(fā)生質量損失引起材料的燒蝕?？梢酝ㄟ^對復合材料熱化學燒蝕機理進行分析，耦合能量守恒原理、質量守恒原理和熱化學反應平衡原理建立復合材料

2、的熱化學燒蝕模型。材料燒蝕過程中存在一個隨燒蝕時間移動的邊界，需要對燒蝕移動邊界條件下防熱復合材料的溫度場進行求解。
　　有限元數(shù)值模擬方法是解決復雜工程問題中最常用的方法，且目前針對不同的工程應用問題已經開發(fā)出了各類有限元計算軟件。另外，有限元數(shù)值分析軟件在對研究問題進行數(shù)值計算分析時，還提供了強大的后處理功能，可以方便的對計算模型進行分析和探討。本文研究工作中，通過有限元數(shù)值計算軟件對不同的防熱復合材料建立了燒蝕模型，并對結構

3、劃分了有限元網格，對有限元數(shù)值計算結果進行了研究和分析。
　　在高溫環(huán)境下防熱復合材料會發(fā)生熱化學燒蝕，在熱化學燒蝕作用下防熱復合材料會發(fā)生一系列物理化學變化。運用化學平衡原理對碳基復合材料在高溫條件下發(fā)生的熱化學反應進行了數(shù)值計算，對其在不同表面溫度下燒蝕產物分布進行了分析。采用有限元數(shù)值模擬方法對不同工況下碳/碳復合材料熱化學燒蝕作用下的溫度場進行了計算和分析。碳基復合材料在高溫環(huán)境下會與空氣組元發(fā)生化學反應，主要包括碳的氧化

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

5、新構建網格部件的方法實現(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。運用熱化學燒蝕理論求解了進入材料內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不規(guī)則表面出現(xiàn)局部熱流偏大的現(xiàn)象。研究結果表明，隨著燒蝕時間的增加，進入材料內部的熱流達到動態(tài)的平衡，材料的燒蝕是多種因素綜合作用的結果，通過耦合計算可以真實反映材料的燒蝕特性。
　　為了揭示在表面燒蝕條件下防熱復合材料內部發(fā)生碳化時的詳細響

6、應，通過有限元數(shù)值計算方法對某碳/酚醛復合材料的碳化燒蝕過程進行了數(shù)值分析。應用ALE(Arbitrary Lagrange-Euler)動網格方法實現(xiàn)了材料發(fā)生表面燒蝕時的邊界退縮，并用Arrhenius定律對燒蝕過程中材料內部的熱分解進行了建模。耦合計算了材料發(fā)生燒蝕時內部熱解反應，溫度場分布，碳層及物性參數(shù)的變化。研究結果表明，燒蝕過程中，材料的熱解由燒蝕表面向材料內部滲透，且熱解反應程度隨著燒蝕時間逐漸減小。材料內部熱解的持續(xù)滲