碳/酚醛复合材料燃气舵烧蚀及工作特性研究

摘要

燃气舵是诸多推力矢量控制方法中的应用较广的一种。针对高温合金燃气舵质量重会降低弹箭工作效率的问题，本文对碳/酚醛复合材料在燃气舵中的应用展开研究，以实现燃气舵的轻型化。
　　 首先，采用搭建的等离子烧蚀试验台对碳/酚醛复合材料试样在三种不同工况下的烧蚀性能进行研究，得到质量平均烧蚀率，并对试样烧蚀形貌进行分析研究。研究表明碳/酚醛复合材料在高速高温射流中具有良好的抗烧蚀性能。
　　 接着，根据燃气舵的工作原理、设计原则和基本要求，对碳/酚醛复合材料的燃气舵的气动布局、舵面形状、翼型种类进行研究。根据设计结果，利用Fluent软件自带的流热耦合分析功能，对尖头和圆弧两种不同舵翼前缘进行流热耦合数值仿真研究，得到了尖头和圆弧两种舵翼前缘的翼片内部温度场分布。数值仿真结果表明圆弧前缘有利于提高舵翼的抗烧蚀性能。
　　 随后，对碳/酚醛复合材料燃气舵在五种不同舵偏角的下的随动和差动共九种工况的工作特性进行了三维气相绕流特性数值仿真计算。通过计算得出不同工况下燃气舵外部绕流及壁面流场的温度、压力及速度分布，以及燃气舵的升力及阻力的变化规律。
　　 最后，完成了碳/酚醛复合材料燃气舵振动特性研究及流固耦合分析。利用Ansys软件结构分析模块进行模态分析，得出燃气舵的固有频率及相应振型。利用Ansys Workbench完成燃气舵的流固耦合分析，分析得到了燃气舵在20°舵偏角情况下的变形及应力分布。研究表明碳/酚醛复合材料燃气舵在结构上是可行的。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 论文的研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外燃气舵的研究情况

1．2．2 国内燃气舵研究情况

1．2．3 复合材料烧蚀特性研究的国内外慨况

1．3 本文主要研究内容

2 碳／酚醛复合材料烧蚀特性研究

2．1 烧蚀试验方法

2．1．1 等离子电弧烧蚀原理

2．1．2 等离子电弧烧蚀试验装置

2．1．3 烧蚀试验方案

2．2 碳／酚醛复合材料烧蚀试验结果分析

2．2．1 质量烧蚀率

2．2．2 碳／酚醛复合材料烧蚀形貌分析

2．3 碳／酚醛复合材料烧蚀机理分析

2．3．1 酚醛树脂的热分解及碳化层形成

2．3．2 热解气体析出和剥蚀

2．3．3 表面再辐射

2．4 本章小结

3 碳／酚醛复合材料燃气舵结构设计研究

3．1 燃气舵工作原理

3．2 碳／酚醛复合材料燃气舵气动设计

3．2．1 碳／酚醛复合材料燃气舵的气动布局

3．2．2 碳／酚醛复合材料燃气舵舵面设计

3．2．3 碳／酚醛复合材料燃气舵舵翼前缘的选择

3．3 本章小结

4 碳／酚醛复合材料燃气舵绕流特性数值仿真研究

4．1 流场基本理论

4．1．1 基本控制方程

4．1．2 湍流模型

4．1．3 离散格式

4．2 数值仿真计算的物理模型

4．1．1 基本模型

4．2．2 计算区域

4．2．3 网格划分

4．2．4 边界设置

4．3 碳／酚醛复合材料燃气舵对计算域流场的影响

4．4 碳／酚醛复合材料燃气舵绕流流场分析

4．4．1 速度场分析

4．4．2 温度场分析

4．4．3 碳／酚醛复合材料燃气舵空气动力力学性能分析

4．4．5 碳／酚醛复合材料燃气舵翼间干扰分析

4．5 本章小结

5 碳／酚醛复合材料燃气舵结构特性仿真研究

5．1 碳／酚醛复合材料燃气舵振动特性研究

5．1．1 模态分析理论

5．1．2 碳／酚醛复合材料燃气舵的模态分析结果

5．2 碳／酚醛复合材料燃气舵流固耦合分析

5．2．1 流固耦合分析理论

5．2．2 流固耦合分析控制方程

5．2．3 固体区域有限元模型

5．2．3 流固耦合分析结果分析

5．3 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 研究展望

致谢

参考文献

附录