复合材料靶体激光毁伤效应数值模拟研究

摘要

目前，激光武器靶体的主要部件结构形式均为圆柱壳体。飞行过程中助推段承受的载荷情况复杂，主要包括飞行惯性过载、发动机内部工作压强以及发动机内部燃料燃烧时的高温载荷，所以激光对于助推段靶体的毁伤是复杂的多物理场耦合效应。由于靶体的工作环境恶劣，所以对于材料的要求较为苛刻。碳纤维环氧树脂材料，其比强度、比模量综合指标是现有的结构材料中最高的。在密度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域，在要求高温、高化学稳定性的场合，碳纤维复合材料都颇具优势，某些靶体已将其作为主要部件材料。据此我们将激光辐照导致复合材料靶体的毁伤分为热力耦合毁伤和烧蚀毁伤，并针对两种破坏模式进行研究。
　　考虑温度对于本构关系的影响，对于复合材料圆柱壳在受到轴向压力载荷时的线性屈曲失效分析，通过理论推导得到了复合材料层合壳承受轴向压力屈曲失稳时的临界屈曲载荷解析解表达式。
　　激光辐照靶体的热力耦合毁伤效应研究。首先，通过理论计算得到复合材料圆柱壳轴压屈曲载荷;然后，用ABAQUS进行数值模拟复合材料圆柱壳特征值屈曲，并提取其一阶模态做本征模映射作为圆柱壳的初始缺陷，进行准静态非线性屈曲分析;其次，考虑初始缺陷和径向扰动作用条件下进行非线性屈曲分析;最后，用ABAQUS软件模拟圆柱壳的热力耦合效应，分析了激光辐照对于复合材料圆柱壳临界屈曲载荷的影响以及激光辐照条件下相关参数对于临界屈曲载荷和屈曲模态的影响规律。
　　激光辐照靶体烧蚀毁伤效应的研究。激光对于复合材料的破坏效应非常复杂，本文只考虑了热分解和氧化反应。采用ALE自适应网格方法，通ABAQUS的二次开发编写了控制烧蚀变化的UMESHMOTION子程序，模拟了碳纤维复合材料圆柱壳三维烧蚀过程并且得到了相关参数对于临界屈曲载荷的影响规律。
　　通过热传导方程和热弹性静力学方程，对仿真模型尺度率进行讨论研究，得出复合材料圆柱壳在承受多项载荷耦合以及各个载荷单独作用时均适用的相似准则，并对相似准则进行了考核与误差分析。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1引言

1．2助推段弹道导弹的毁伤机理

1．3国内外研究现状

1．3．1圆柱壳屈曲国内外研究现状

1．3．2激光辐照轴压圆柱壳失效研究现状

1．3．3激光对碳纤维复合材料烧蚀的研究现状

1．4本文的主要内容

第2章复合材料层合圆柱壳轴压屈曲理论

2．1一般各向异性材料基本理论

2．2正交各向异性材料本构关系

2．3复合材料单层板的弹性特性分析

2．3．1单层板弹性主方向上的弹性特性

2．3．2单层板非弹性主方向上的弹性特性

2．3．3层合板理论

2．3．4复合材料圆柱壳屈曲基础理论

2．4本章小结

第3章激光辐照复合材料圆柱壳热力耦合数值模拟

3．1轴压圆柱壳特征值屈曲分析

3．2非线性屈曲分析

3．2．1本征模仿设法

3．2．2径向扰动对于临界屈曲载荷的影响

3．3激光辐照轴压复合材料圆柱壳的热力耦合分析

3．3．1复合材料圆柱壳的厚度t对于临界屈曲载荷的影响

3．3．2光斑半径对于临界屈曲载荷的影响

3．3．3光斑位置对于临界屈曲载荷的影响

3．4本章小结

第4章激光辐照复合材料圆柱壳烧蚀效应数值模拟

4．1 ABAQUS中用户子程序简介

4．2 ALE自适应网格技术

4．2．1 ALE网格自适应方法的基本过程

4．2．2 ALE adaptive meshing适用范围与特点

4．3激光辐照碳纤维复合材料平板

4．4 ALE自适应网格模拟轴压复合材料圆柱壳烧蚀

4．5重要参数对于烧蚀情况的屈曲载荷的影响规律

4．5．1厚度t的影响规律

4．5．2光斑半径r的影响规律

4．5．3光斑位置对于临界屈曲载荷的影响

4．6本章小结

第5章尺度率分析

5．1量纲与无量纲化简介

5．2基本控制方程

5．3相似准则的推导

5．3．1方程组讨论

5．3．2热边界边界讨论

5．3．3相似准则总结

5．4数值模拟与分析

5．4．1 T300碳纤维／914环氧复合材料复合材料圆柱壳温度场校核

5．4．2激光辐照诱导轴压圆柱壳屈曲相似准则校核

5．5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢