陶瓷纤维隔热瓦压缩及剪切性能有限元模拟与分析

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1、硕士学位论文陶瓷纤维隔热瓦压缩及剪切性能有限元模拟与分析FINITEELEMENTMODELINGANDANALYSISONTHECOMPRESSIVEANDSHEARPERFORMANCEOFCERAMICFIBROUSTERMALINSULATIONTILES龙柯材哈尔滨工业大学2018年7月国内图书分类号：TB301学校代码：10213国际图书分类号：621密级：公开工学硕士学位论文陶瓷纤维隔热瓦压缩及剪切性能有限元模拟与分析硕士研究生：龙柯材导师：史丽萍副教授申请学位：工学硕士学科：材料学所在单位：航天学院答辩日期：2018年07月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIn

2、dex:TB301U.D.C:621DissertationfortheMasterDegreeofEngineeringFINITEELEMENTMODELINGANDANALYSISONTHECOMPRESSIVEANDSHEARPERFORMANCEOFCERAMICFIBROUSTHERMALINSULATIONTILESCandidate：LongKecaiSupervisor：Prof.ShiLipingAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MaterialsScienceAffiliation：School

3、ofAstronauticsDateofDefence：July,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要刚性陶瓷纤维隔热瓦兼具承载和隔热功效，是一类可重复使用于可重复使用航天器(RLV)表面大面积热防护系统的材料，具有轻质、低热导率、耐烧蚀、高比强度等特性。本文采用实验表征、理论分析和数值模拟相结合的方法对陶瓷纤维隔热瓦的压缩和剪切性能进行研究。首先，基于一种自主设计的陶瓷纤维隔热瓦剪切性能测试方法，本文获得了陶瓷纤维隔热瓦的压缩与剪切力学性能数据；通过理论分析讨论了纤维模量

4、Ef、模型尺寸和外形等因素对模量的影响，得到了与实际接近的理论计算结果。其次，利用MATLAB软件建立了计算3D脆性随机纤维网络材料的有限元模型(FEM)，通过有限元分析(FEA)得到了与实验结果一致的应力-应变曲线，并分析了材料的损伤演变过程和失效机理，结果表明压缩以纤维破坏为主导，而剪切破坏过程中连接的影响更为明显，且失稳失效单元占比更多，两种加载模式下弹性阶段都有单元发生破坏，是影响材料使用寿命的重要因素。最后，模拟分析了纤维之间的连接情况、材料表观密度、纤维取向程度、纤维直径、纤维强度离散性和宏观分层对陶瓷瓦的压缩与剪切性能的影响。总的来说，连接越强，材料力学性能越好；纤维取向程度对

5、压缩和剪切性能影响均满足逻辑回归模型；纤维直径增加会使力学性能离散程度增大；纤维强度离散性和宏观分层都会明显使材料性能降低。关键词：陶瓷纤维隔热瓦；3D随机纤维网络材料；有限元模拟；压缩性能；剪切性能-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractRigidceramicfibrousinsulationtiles,reusable,arewidelyusedinthelarge-areasurfacethermalprotectionstructureofReusableLaunchVehicle(RLV)duetotheirlightweight,lowthermalconducti

6、vity,ablationresistance，highstrength,andbothload-bearingandheat-insulatingability.Inthispaper,thecompressiveandshearperformanceofceramicfibrousinsulationtilesarestudiedbycombiningexperimental,theoreticalandsimulationmethods.Firstly,anexperimentalmethodisindependentlydesignedtomearuretheshearperform

7、anceoftheceramicfibrousinsulationtiles,andthecompressiveandshearmechanicalpropertiesareobtainedviaexperiments.ResultsclosetorealityandtheinfluencesoffibremodulusEf,theshapeandsizeofthemodelonthemacromodulus