Temperature and stress field analysis of conical trapped joint C/C nozzle divergent section

通过计算喷管的温度场和应力场,描述了扩张段在发动机工作过程中温度和应力的变化规律.首先,将燃气流简化为一维等熵流,以确定喷管内的温度和压强分布.基于轴对称有限元模型,计算了扩张段瞬时温度场.然后,将温度场结果导入到结构热应力分析中,分别计算了扩张段的粘接界面接触合力、轴向拉应力和压应力、层间剪切应力随时间变化规律.最后,与螺纹连接的C/C喷管进行对比,得出在目前材料体系下,锥形套式连接的C/C喷管设计是一种较优化的结构设计.     

锥形套式连接C/C喷管扩张段温度场与应力场分析

通过计算喷管的温度场和应力场,描述了扩张段在发动机工作过程中温度和应力的变化规律。首先,将燃气流简化为一维等熵流,以确定喷管内的温度和压强分布。基于轴对称有限元模型,计算了扩张段瞬时温度场。然后,将温度场结果导入到结构热应力分析中,分别计算了扩张段的粘接界面接触合力、轴向拉应力和压应力、层间剪切应力随时间变化规律。最后,与螺纹连接的C/C喷管进行对比,得出在目前材料体系下,锥形套式连接的C/C喷管设计是一种较优化的结构设计。     

径棒法编织C/C复合材料热膨胀性能

热膨胀系数是表征C/C复合材料热稳定性的关键性能参数。为了解材料的热膨胀行为,以径棒法编织C/C复合材料为实验材料,分析了该材料的热膨胀性能。结果表明,径棒法编织C/C复合材料热膨胀性能呈现明显各向异性特征,径向方向材料的热膨胀系数最大。随着温度升高,材料热膨胀系数呈现增大趋势,800～1 000℃热膨胀性能趋于稳定。在本次实验中,材料密度由1.89 g/cm3提高至1.96 g/cm3,热膨胀系数增大。对完成致密的样品进行900℃热处理,材料1 000℃下径向热膨胀系数由热处理前的8.486×10-6℃-1降低至3.488×10-6℃-1。     

C/C复合材料高温热物理性能实验研究

实验研究了烧蚀防热C／C复合材料从常温到高温的等效热膨胀系数、热扩散率、比热随温度的变化情况，并计算了材料不同温度下的热导率与抗热应力系数。结果表明：材料的热膨胀系数很小，接近零膨胀。热扩散率随温度升高而下降，比热随温度升高近似比例增加，而热导率随温度的变化规律与热扩散率相似。材料的抗热应力系数随温度的升高变化不大，抗热震性能稳定。     

编织参数对轴编C/C复合材料热膨胀系数的影响

将能量法和有限元方法相结合,预报了轴编C/C复合材料的热膨胀性能,通过与实验结果的对比,验证了预报方法的有效性;考虑编织间距和纤维棒直径的变化,预报了该材料热膨胀性能随编织参数的变化。结果表明,采用能量法预报C/C复合材料的热膨胀系数具有较高的精度;轴编C/C复合材料的热膨胀系数随编织间距的增大而减小;随半径的增大,轴向的热膨胀系数逐渐减小,而径向的热膨胀系数逐渐增加。     

纤维混编CMC-SiC的残余热应力计算

将SiC纤维引入到C/PyC/SiC中,有望减少因C纤维与SiC基体热膨胀系数不匹配而导致的基体残余热应力。研究了C纤维和SiC纤维混编方式和混编比例对复合材料残余热应力的影响规律。采用有限元法建模、计算了纤维混编接触分布和相间分布复合材料的残余热应力,结果表明:(1)与C/PyC/SiC比,C纤维和SiC纤维混编增强SiC基复合材料可减少SiC基体的残余拉应力;(2)相同混编比例时,纤维混编接触分布((x C-y SiC)/PyC/SiC)复合材料的基体轴向残余应力比纤维混编相间分布((x C×y SiC)/PyC/SiC)复合材料基体的小;(3)以纤维混编接触分布为例,SiC基体的轴向残余应力随混编复合材料中SiC纤维的增加而减小,但当C纤维和SiC纤维的混编比例由1∶2变为1∶4时,基体的轴向残余热应力仅从174 MPa下降到170 MPa。     

增强体结构对炭/炭出口锥材料热性能的影响

研究了三种增强体结构,即炭布叠层增强骨架(P型结构)、原位针刺骨架(N型结构)、整体编织骨架(W型结构),以及增强结构对炭/炭复合材料(C/C)出口锥热性能的影响。结果表明,三种增强结构C/C材料比热相近,随温度升高而增加;增强结构的各向异性对材料导热率影响明显,X-Y向的导热率均大于Z向,P-C/C面内和径向导热率相差10倍以上;N-C/C在两个方向导热率差别最小,各向异性度明显降低;W-C/C在两个方向导热率差别也较明显,径向导热率比P-C/C高,但低于N-C/C;热膨胀系数随增强结构不同呈显著各向异性,Z向和XY向热膨胀系数的比值(ZCTE/XYCTE)可表征C/C材料热膨胀性能的各向异性程度,P-C/C两个方向差异最大,W-C/C次之,N-C/C最小;随测试温度升高,N-C/C、W-C/C的ZCTE/XYCTE比值逐渐变小。     

轴棒法编织三维四向C/C复合材料压缩及弯曲性能

通过对轴棒法编织三维四向C/C复合材料进行压缩、弯曲实验,观测了材料在不同载荷下的应力-应变曲线以及压缩性能和弯曲性能数据,采用扫描电镜对断面形貌进行分析,并研究了材料的破坏机理.结果表明,轴棒法编织三维四向C/C复合材料具有良好的力学性能,编织结构对复合材料性能有较大影响,材料的轴向压缩强度大于径向,但轴向弯曲性能低...     

轴编C/C复合材料组分材料有效性能

利用光学显微镜观测和测量轴编C/C复合材料细观编织结构及其尺寸,建立轴编C/C复合材料有限元模型,通过给出组分材料有效性能的变化区间,构造组分材料性能与轴编C/C复合材料宏观有效性能的对应关系,利用径向基函数(RBF)人工神经网络(ANN)方法,对该高度非线性的对应关系进行训练,通过轴编C/C复合材料宏观实验结果,预报其组分材料的有效性能。结果表明,轴编C/C复合材料面内弹性性能基本相同,在测量时可忽略面内纤维束铺设方向的影响;人工神经网络对训练样本有一定的依赖性,但通过多次随机构造样本训练网络,可得到理想的预测结果,且人工神经网络方法具有很好的容错性,能很好地预报轴编C/C复合材料组分材料的有效性能。     

高密度轴棒法C/C复合材料的热膨胀性能

以轴棒法4D编织预制体、高温煤沥青为前驱体,采用常压、高压相结合的液相浸渍-炭化技术制备高密度(≥1.95 g/cm3)的C/C复合材料,并研究了轴棒法编织C/C复合材料在RT~1000℃的热膨胀性能及其影响因素。结果表明,由于材料预制体编织结构与微观结构的界面裂纹具有方向性,导致了C/C复合材料热膨胀表现出明显的各向异性,径向热膨胀系数低于轴向,高温尺寸稳定性较好;轴棒法C/C材料的热膨胀行为在800℃出现拐点,拐点与材料界面裂纹愈合有关,受最终制备温度的影响很大;材料经2500℃热处理之后,拐点后延,整体热膨胀系数下降,随温度上升趋势变缓。     

细编穿刺C/C复合材料热导率数值模拟

根据细编穿刺复合材料的细观和微观结构,分别建立了纤维束和细编穿刺单胞有限元模型。采用周期性非绝热温度边界条件,计算了纤维束和材料整体的等效热导率。计算结果与经验公式比较,具有高度的一致性。在此基础上,进一步研究了纤维体积分数、基体和纤维热导率对材料热导率的影响。结果表明,随着纤维含量的增加,材料两个方向热导率均有不同程度的下降,且差异逐渐减小,且基体对热导率影响作用较大。文中采用的模型和周期性边界条件与理论预期符合较好,为材料热学和热力耦合问题的分析提供了有用参考。     

花瓣铺层C/C喷管扩张段外缠绝热层工艺固化过程应力-应变分析

用有限元法对花瓣铺层C／C喷管扩张段外缠绝热层工艺固化过程的应力－应变进行了分析；并分析了C／C材料的层间缺陷对热应力的影响。通过分析可知，由于花瓣铺层C／C材料与绝热层材料线膨胀系数不一致，导致它们在固化过程后产生热应力；而C／C扩张段中少数缺陷的存在，使得缺陷附近的层间剪切应力大幅增加，从而可能导致其结构的完整性被破坏。文中的分析可为花瓣铺层C／C扩张段的设计和工艺提供参数。     

点火增压过程中体积模量对药柱结构分析的影响

根据点火过程中压强-时间和压强-体积模量变化规律,得出了药柱体积模量随时间的变化规律。应用该规律分别进行药柱弹性和粘弹性分析,得出了泊松比变化情况,并与体积模量为常数的分析结果对比;进一步应用弹性有限元分析整个点火过程中圆管药柱内孔周向应变变化情况,探讨了点火过程中体积模量对药柱结构分析的影响。分析表明,压强对拉伸模量影响不大,体积模量增大相当于泊松比增大,粘弹性剪切松弛模量可由近似公式求得,对药柱进行点火过程弹性或粘弹性分析时,应考虑体积模量随压强变化的影响。     

C/C扩张段典型连接结构热应力对比分析及试验研究

C/C扩张段与喷管基础段的连接结构是影响C/C扩张段热应力的关键因素,为了获得最优连接形式,采用相同的边界条件、材料参数和结构尺寸,对螺纹、倒锥、销钉和套锥共4种典型连接结构的C/C扩张段进行了热应力数值模拟。通过温度场和应力场对比分析,并考虑工程应用性,认为销钉连接结构最优。采用φ340 mm试验发动机,对销钉连接结构C/C扩张段开展了热试车考核。试车后,C/C扩张段结构完整,验证了该连接结构的设计合理性。热试车过程中,成功测试了C/C扩张段外壁面的实时温升曲线,各测点的温升规律以及沿轴向的温度趋势与理论分析基本一致,发动机工作结束时最高温度达1 127℃。     

复合材料胶接接头分析研究

文章阐述了复合材料胶接接头的力学特性;针对单搭接管接头进行了有限元建模;在线弹性分析的基础上,考虑胶层弹塑性特性而进行了非线性分析,得出接头的位移场和各部分的3D应力场;通过初步试验,验证了分析的正确性。分析结果对复合材料胶接接头强度校核及设计改进有指导作用。     

C/C喉衬近净尺寸制备及性能

采用径向针刺工艺制备了近净尺寸针刺C/C喉衬预制体,通过热梯度CVI和树脂浸渍碳化复合工艺对预制体进行了致密,利用μ-CT、光学显微仪表征了C/C喉衬材料微观孔隙和热解碳织构,分析了喉衬材料的弯曲性能。结果表明,径向针刺过程形成的损伤型孔隙通道与碳源气体传输方向一致,提高了碳源气体传输效率,使径向针刺喉衬CVI增密效率比传统轴向针刺喉衬提高10.9%。预制体近净尺寸成型缩短了烧蚀区域碳源气体的渗透距离,喉衬材料烧蚀区域形成了高织构热解碳,有利于喉衬烧蚀性能的提高。径向针刺喉衬的轴向弯曲强度比轴向针刺喉衬提高150%。     

超薄钛内衬复合材料高压气瓶力学特性分析

以卫星用超薄钛内衬T1000碳纤维增强复合材料高压气瓶为研究对象,基于各向同性材料弹塑性理论及复合材料层合板理论,建立三维有限元分析模型。通过对比分析金属内衬和复合材料层在不同内压下的位移、应力和应变分布规律,得到了这种气瓶在各承压工况下的力学特性,最后通过压力试验结果验证了有限元模型的准确性。研究结果表明:当内压超过气瓶的工作压力时,复合材料气瓶主要发生轴向变形,且内衬既有弹性变形又有塑性变形,复合材料层始终处于弹性变形。此外,气瓶爆破失效薄弱点在筒体与封头的过渡区域,在不均匀应变的作用下易沿环向发生撕裂而爆破。本文的研究成果可为超薄内衬复合材料高压气瓶的设计、试验等提供参考依据。     

随机有限元法及喷管扩张段结构可靠性分析

推导了考虑材料性能及载荷随机扰动的有限元基本公式，通过随机有限地分析，可得到结构位移和应力的均值与方差，为结构可靠性提供了数据。采用随机有限元法对固体火箭发动机喷管扩张段进行了结构可行性分析，算例表明，该方法简单、实用。     

环向纤维增强钢压力容器设计分析

用弹性理论分析方法，得到了环向纤维增强钢压力容器（压缩天然气气瓶）在内压作用下的应力，给出了气瓶爆破压强以及钢筒和纤筒壁厚的计算方法。讨论了提高气瓶疲劳强度的技术途径。算例表明，计算值与实验结果符合良好。