碳/碳复合材料喉衬热结构分析及失效行为研究

摘要

喷管喉衬是固体火箭发动机关键部件之一，要承受高温高压，固体粒子的冲刷以及高温燃气的热化学侵蚀等。恶劣的工作环境对喉衬部件的安全性造成严重影响，而喉衬部件的安全性对固体火箭发动机能否正常安全工作至关重要。本文以固体火箭发动机碳/碳复合材料喷管喉衬为研究对象，使用ABAQUS有限元软件，建立了在接触热阻、烧蚀动边界和界面脱粘等因素影响下的喉衬热结构计算方法，揭示了决定喉衬失效的关键因素，研究了喉衬的失效行为。
　　本文首先对喉衬组件进行了温度场分析。计算中分别考虑了接触热阻和烧蚀动边界两个影响因素，分析其对温度场的影响。结果表明，接触热阻大于1′10-4m2×℃/W时对温度场影响较大，计算时必须考虑接触热阻的影响。而当接触热阻小于1′10-4m2×℃/W时，对温度场影响不是很明显，在计算时可以忽略接触热阻的影响。烧蚀动边界对喉衬内壁的温度场分布影响较小，但对喉衬外壁温度分布有较大影响，且随着工作时间的增加，影响越来越明显。最后综合这两个影响因素计算得到了喉衬组件在复杂环境下的温度场。其次，在已知温度场结果的基础上，采用顺序耦合方法，计算了喉衬组件的应力场。分析了接触热阻和烧蚀动边界对应力场的影响以及考虑界面脱粘情况下喉衬应力场分布，分析了脱粘前后喉衬部件的径向和轴向应力极值特征。结果表明，接触热阻对应力场的影响与对温度场影响的结论一致；烧蚀动边界对喉衬外壁径向和轴向应力影响较大，而且烧蚀动边界对喉衬径向应力的影响明显高于轴向。综合各个影响因素，计算得到了复杂环境下喉衬应力场。结果表明：工作结束时径向拉应力为88MPa，压应力为189MPa；轴向拉应力为71MPa，压应力为144MPa。最后，在温度场和应力场分析的基础上，使用扩展有限元的方法对喉衬的破坏失效行为进行了初步研究。结果表明，喉衬在热应力作用下会出现断裂破坏；喉衬对扩张段的挤压作用会导致扩张段整体断裂；界面脱粘现象会导致喉衬与背壁之间出现狭小缝隙，喉衬与扩张段相接触的地方有相互错开的现象。破坏模式的研究对固体火箭发动机喉衬组件结构的设计和材料的选取具有一定的工程实用价值。

目录

碳/碳复合材料喉衬热结构分析及失效行为研究

THERMO-STRUCTURAL ANALYSIS AND FAILURE BEHAVIOR OF C/C COMPOSITE THROAT

摘 要

Abstract

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 国内外研究现状及分析

1.2.1 国外研究现状及分析

1.2.2 国内研究现状及分析

1.3 本文主要研究内容

第2章 喉衬有限元计算模型的建立

2.1 喉衬热结构分析的关键影响因素

2.1.1 接触热阻

2.1.2 烧蚀动边界

2.1.3 界面脱粘

2.2 喉衬有限元计算模型的建立

2.2.1 喉衬组件的几何模型

2.2.2 喉衬的有限元计算模型

2.3 小结

第3章 复杂环境下喉衬温度场分析

3.1 理想工况下喉衬温度场分析

3.2 接触热阻对喉衬组件温度场的影响

3.3 烧蚀动边界对喉衬组件温度场的影响

3.4 复杂环境下喉衬温度场分析

3.5 小结

第4章 复杂环境下喉衬应力场分析

4.1 理想工况下喉衬应力场分析

4.2 接触热阻对喉衬组件应力场的影响

4.3 烧蚀动边界对喉衬组件应力场的影响

4.4 界面脱粘现象

4.5 复杂环境下喉衬应力场分析

4.5.1 应力场计算结果

4.5.2 喉衬应力极值分析

4.6 小结

第5章 喉衬失效行为研究

5.1 喉衬在热应力作用下的断裂破坏

5.1.1 扩展有限元理论在裂纹问题中的应用

5.1.2 喉衬在热应力作用下的断裂破坏

5.2 界面脱粘引起的破坏形式

5.3 小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

致 谢