碳_酚醛复合材料烧蚀行为研究

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1、硕士学位论文碳/酚醛复合材料烧蚀行为研究RESEARCHONABLATIONBEHAVIOROFCARBON/PHENOLICCOMPOSITES赵小光哈尔滨工业大学2015年6月国内图书分类号：TB121学校代码：10213国际图书分类号：530密级：公开工程硕士学位论文碳/酚醛复合材料烧蚀行为研究硕士研究生：赵小光导师：赵树山教授申请学位：工程硕士学科：航天工程所在单位：航天学院答辩日期：2015年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TB121U.D.C:530DissertationfortheDoctoralDegree

2、inEngineeringRESEARCHONABLATIONBEHAVIOROFCARBON/PHENOLICCOMPOSITESCandidate：ZhaoXiaoguangSupervisor：Prof.ZhaoShushanAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：SolidMechanicsAffiliation：SchoolofAstronauticsDateofDefence：June,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInsti

3、tuteofTechnology摘要摘要碳/酚醛复合材料作为一种防隔热一体化材料，主要用于高速飞行器大面积区域热防护。热防护系统占该类飞行器比重较大，其冗余设计对于整个飞行器的质量控制有关键作用。因此准确地掌握碳/酚醛复合材料烧蚀特性能够解决热防护系统设计过度冗余或防热可靠性不足的问题。本文针对典型服役环境下的体积烧蚀特征，建立了多物理场耦合模型，利用有限元方法实现了体积烧蚀过程的数值模拟，开展了碳/酚醛复合材料热/力学响应特性分析，为具有长时间大面积热防护需求的高超声速飞行器的热防护结构优化设计提供了建设性支持。本文主要内容包括：对碳/酚醛复合材料的多物

4、理场耦合机制进行了研究。分析了碳/酚醛复合材料多场耦合烧蚀过程中的防热机理，确定了碳/酚醛复合材料体积烧蚀特征。从烧蚀过程中多场耦合关系出发，推导了碳/酚醛复合材料体积烧蚀过程中控制体的能量方程、气体相扩散方程、热化学反应速率方程以及固体相的平衡微分方程。利用有限元软件（COMSOL）求证了碳/酚醛复合材料多场耦合烧蚀模型，对碳/酚醛复合材料的烧蚀过程进行了数值模拟。对低热流、中等焓值对流热流载荷作用下材料的温度场、位移场、热解气体孔隙压力场、材料的热解程度以及力学响应做出相应预报。基于烧蚀模型对碳/酚醛复合材料烧蚀特性进行了研究。对于不同的材料性能参数以

5、及气动热环境参数对碳/酚醛复合材料防隔热效果的影响进行了研究，评价了各种不同因素的影响显著性水平，明确了影响碳/酚醛复合材料烧蚀行为的显著性因素。关键词：热防护；碳/酚醛；多物理场耦合；烧蚀行为；有限元IAbstractAbstractCarbon/phenoliccomposites,asanewtypeoflightweightthermalprotectionmaterial,ismainlyusedforbluntbody’sheatprotection,forthethermalprotectionmaterialsisalargeproport

6、ionoftheaircraftanditsredundancydesignhasakeyroletothequalitycontrolofthewholeaircraft,sotheaccurategraspofitsablationcharacteristicscansolveexcessiveredundanceortheproblemofinsufficientreliabilityaboutthermalprotectiondesign.Inthispaper,inatypicalserviceenvironment,thecarbon/phen

7、oliccomposites’volumeablationmechanismandmulti-physics-couplingprocessarestudied,andwithFEMmethod,equationaboutmulti-physicscouplingissolved.Meanwhile,inalowheatfluxenvironment,thermalandmechanicalresponseofcarbon/phenoliccompositesisanalyzed,whichsupportsthethermalprotectionrequi

8、rementsforhypersonicaircraft.Inth