【摘 要】
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在航天领域中,由于飞行器在穿过地球大气层时会经历高温、高压、高焓等的极端工作环境,因此可能会危及飞行器内部结构甚至工作人员的安全。为了保证结构的安全使用,预测结构的使用寿命,需要对热载荷作用下C/C热防护复合材料的烧蚀与热响应进行分析,并研究其烧蚀机理。随着电子计算机技术的飞速发展,更由于烧蚀问题的特殊性,在研究C/C复合材料的烧蚀时,数值模拟的优势愈发地突显出来。同时由于烧蚀过程中边界移动问题的
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在航天领域中,由于飞行器在穿过地球大气层时会经历高温、高压、高焓等的极端工作环境,因此可能会危及飞行器内部结构甚至工作人员的安全。为了保证结构的安全使用,预测结构的使用寿命,需要对热载荷作用下C/C热防护复合材料的烧蚀与热响应进行分析,并研究其烧蚀机理。随着电子计算机技术的飞速发展,更由于烧蚀问题的特殊性,在研究C/C复合材料的烧蚀时,数值模拟的优势愈发地突显出来。同时由于烧蚀过程中边界移动问题的存在,使得采用基于连续性假设的传统经典方法如有限单元法(FEM)以及有限差分法(FDM)等在模拟烧蚀问题时存在着较大的困难。然而,近场动力学理论采用微分-积分方程建立基本方程,不再使用连续性假设,因此更适合求解裂纹扩展、爆炸、烧蚀以及腐蚀等非连续问题。基于此,本文使用近场动力学(PD)方法模拟了热载荷条件下C/C复合材料的烧蚀过程及其热力响应。本文主要的研究内容以及成果如下:1.采用可描述C/C复合材料烧蚀问题的热化学烧蚀理论,结合改进的基于非常规态的近场动力学瞬态传热方程,建立了基于C/C复合材料热化学烧蚀的近场动力学传热模型,在不引入其它复杂条件的情况下实现了对C/C复合材料烧蚀边界移动的自然描述。2.基于描述C/C复合材料烧蚀问题的基本方程组,推导出相应的计算格式,完成计算流程设计,生成流程图,并采用FORTRAN语言编写了C/C复合材料热化学烧蚀过程的模拟程序;通过文献中的算例来实施数值模拟验证,数值模拟结果与文献中的相关实验结果较符合。3.采用上述基于C/C复合材料热化学烧蚀的近场动力学传热模型,研究了不同邻域半径以及不同粒子间距对数值模拟结果的影响。对C/C复合材料由于发生烧蚀而导致边界移动情况下的应力场进行数值模拟,描述了烧蚀过程中边界移动对C/C复合材料模型应力场的影响。
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