Simulation of heat and mass transfer in composite heat protective materials under high temperature conditions

We present a mathematical model, worked out on the basis of the law of binder composite material (CM) decomposition suggested by authors for numerical solution of the heat and mass transfer problems in the heat protective CM under conditions of aero-gas-dynamic heating. The model makes it possible not to consider hard-realizable chemical kinetics of the binder decomposition and can practically be applied to any CM under high temperature conditions. Numerical examples are given.     

高粘度SiO2材料烧蚀传热机理及试验验证

通过对高粘度SiO2材料的烧蚀及传热分析,建立了硅基材料的固体层一液体层的耦合烧蚀计算方法.给出了材料烧蚀过程中烧蚀速度、液层厚度、液层温度及固体温度的表达式及求解方法,并把计算结果与电弧加热器平板烧蚀试验的液层厚度分布及烧蚀量的精确测量结果进行了对比.结果表明新模型的液层厚度及烧蚀量与实验结果符合很好.     

CFRP复合材料电热特性及力学性能测试与分析

采用自主研制的电热损伤实验装置,通过CFRP试样电流、温度场的测试,给出了CFRP试样的电热温度与电流强度之间呈线性递增的关系;通过力学性能的测试,初步揭示了CFRP材料随电加热温度的提高,其拉伸强度呈现"增加—稳定—降低"的趋势;弹性模量及泊松比均呈现"降低—稳定—降低"的趋势。还通过电镀工艺优化和预紧力的精确控制,成功解决了CFRP试样与电极接触电阻过大和不稳定的难题。电镀铜处理试样的接触电阻可控制在0.39Ω以下,且具有良好的重复性。     

利用温度测量结果反演三维热传导问题中热源项的算法研究

利用表面温度测量来反演热传导问题中的热源项是一类典型的热传导逆问题，在采用有限体积法对三维稳态热传导问题进行数值求解的基础上，将该热传导逆问题转化为优化问题，基于灵敏度分析建立了反演算法。采用该算法对一典型算例的计算结果表明：建立的算法是有效的，具有较好的抗噪性能。此外，对反演算法中计算收敛准则的选取进行了较深入的分析，结果表明，由于热传导逆问题的不适定性，优化过程中目标函数值越小并不意味着反演结果与真值更为接近，可以通过设定合适的收敛准则来模拟正则化项的作用，克服不适定性的影响。     

非线性热传导逆问题的表面热流辨识方法

当材料的热物性参数随温度变化时,其内部的热传导方程是一非线性偏微分方程,对应的热传导逆问题称为非线性热传导逆问题。本文建立了非线性热传导逆问题的两种表面热流辨识方法:顺序函数法和共轭梯度法,介绍了这两种辨识方法的基本思想和具体算法推导,并针对典型算例进行了仿真辨识,结果表明:两种辨识方法虽然在算法构造、计算效率方面存在一定的差异,但都能给出较好的辨识结果,并且算法受测量噪声的影响较小,具有较好的鲁棒性。     

Exact analytical solutions of a nonlinear nonstationary inverse problem of heat conduction for a body with low heat conduction coefficient

The analytical solution of a nonlinear nonstationary inverse problem of heat conduction for a bodies with low heat conduction coefficients of one-dimensional geometry is presented. The solutions obtained make it possible to restore the boundary conditions rather exactly using the results of heat flux measurements.     

非稳态表面热流反演算法研究

表面热流的反演是一类典型的热传导逆问题。在采用有限体积法数值求解三维非稳态热传导问题的基础上,将该热传导逆问题转化为优化问题,建立了顺序函数法和共轭梯度法这两类反演算法。采用这两类算法对一个典型算例的计算结果表明:建立的两类反演算法都是有效的,具有较好的抗噪性能。顺序函数法的优势在于算法的推导和实现较为简便,但算法中存在人为确定的参数r,该参数的选取对反演结果有较大影响。共轭梯度法的算法中没有自由参数,但算法的推导和实现都较为复杂,其反演结果的精度和顺序函数法的反演结果精度基本相当。     

Calculation of heat conduction in aerospace plane thermal protection system

In this paper, a technique is proposed for calculating the heat conduction of heatprotection tiles in aerospace planes by using as a base the now-existing algorithms to analyze the composite material characteristics as well as thermoforce analogy. The efficiency of this technique is confirmed by the numerical calculation.     

用PTI分析功能梯度材料的热传导灵敏度

较详尽的介绍了精细时程积分方法(Precise Time Integration,以下简称PTI)的运算过程,并针对功能梯度材料这种新型材料的灵敏度分析问题,以热传导问题为例,建立了PTI方法的灵敏度计算公式,结果表明方法的精确度与有效性。     

某推进剂非稳态导热及温度场特性

为适应研制火箭推进剂初始温度测量装置的需要，利用计算机数值模拟和实验方法，研究了某种火箭推进剂在第一类边界条件下的非稳态温度场，程序计算结果与实验测量值吻合较好，得出了该推进剂的非稳态温度场的变化规律及影响温度分布的主要热阻，研究子常用的推进剂最大肉厚1/2处温度与质量加权平衡温度的差别，给出了测量温度的最佳位置。     

Multiaxial fatigue life prediction of composite materials

In order to analyze the stress and strain fields in the fibers and the matrix in composite materials,a fiber-scale unit cell model is established and the corresponding periodical boundary conditions are introduced.Assuming matrix cracking as the failure mode of composite materials,an energy-based fatigue damage parameter and a multiaxial fatigue life prediction method are established.This method only needs the material properties of the fibers and the matrix to be known.After the relationship between the fatigue damage parameter and the fatigue life under any arbitrary test condition is established,the multiaxial fatigue life under any other load condition can be predicted.The proposed method has been verified using two different kinds of load forms.One is unidirectional laminates subjected to cyclic off-axis loading,and the other is filament wound composites subjected to cyclic tension-torsion loading.The fatigue lives predicted using the proposed model are in good agreements with the experimental results for both kinds of load forms.     

聚合物先驱体转化法制备多孔陶瓷的研究进展

聚合物转化陶瓷(polymer derived ceramics,PDCs)制备技术简单,烧结温度低,可设计性强,40年来得到了极大的发展。本文综述了多孔PDCs的研究进展,包括模板法、发泡法、冷冻铸造技术、增材制造技术等制备方法;此外,还对陶瓷前驱体如聚碳硅烷、聚硅氧烷、聚硅氮烷等分子侧链设计以调整陶瓷产物的组成、微结构、力学性能等的研究现状进行了综述;提出未来发展的方向是增材制造技术制备多孔 PDCs及陶瓷前驱体分子层面的设计。     

多孔材料下气体爆炸转扩散燃烧的特性研究

为分析多孔材料对预混气体爆炸特性参数的影响效果,采用自主搭建的爆炸实验平台,探究不同孔隙度和厚度的多孔材料对当量比为1的甲烷/空气预混气体爆炸的作用行为。实验研究表明,不同孔隙度的多孔材料对爆炸火焰和超压具有促进或抑制两种不同的影响。孔隙度较小时,爆燃火焰传播速度随着材料厚度的增大而降低,并在厚度较大时,火焰有短暂的传播延时现象。孔隙度较大时,预混火焰冲击多孔材料时发生淬熄,但随后一段时间内,由于负压抽吸作用,在已爆区域一侧的材料表面产生扩散燃烧现象,且扩散燃烧程度与材料厚度成反比关系。多孔材料的固相结构能降低压力的泄放效率,同时可吸收能量,进而提高爆炸超压的上升速率,降低超压峰值。当每英寸长度孔数δ=10的多孔材料促进火焰传播时,与当量比为1的预混气体爆炸相比,超压峰值最大可提高约2倍,造成更严重的后果。火焰冲击δ=20的多孔材料时发生淬熄,最大超压衰减可达47.17%,δ=30时最大超压衰减了24.62%。     

孔隙率对多孔陶瓷材料失效强度的影响

应用格模型和统计学方法分析了多孔陶瓷材料的失效问题.首先建立了多孔材料宏观力学性能分析的有限元模型,然后使用自适应加载技术对多孔材料单向拉伸失效过程进行模拟,最后根据统计学方法对计算模拟结果进行统计分析.通过三维格模型方便地考虑到了气孔大小、位置分布、气孔率等影响因素,研究表明:脆性多孔陶瓷材料的失效过程表现出一定塑性,气孔位置随机分布引起失效强度的分散性,气孔率越高,材料失效强度越低.      

Electrical behaviour of ceramic composite materials for aero-engine igniters

High energy igniters are extensively used in aero-engines and this study describes the specific ceramic composite materials used at the igniter tips. These ceramics favour the formation of a plasma-like process on their surfaces under an electrical field not exceeding 1 kV mm⁻¹. The elevated temperature which is reached, and the high energy released during sparks are very favourable for engine ignition, even when internal engine temperature, pressure and fuel flow are unfavourable. Currently used ceramics and possible igniter designs are described. For composite ceramics, the physical mechanisms involved during sparking are presented, together with the high temperature and pressure effect in engines. Degradation mechanisms of materials are also examined to understand the operational life of igniters when working conditions vary. Problems associated with continuous ignition and the type of surface discharge materials are also discussed.     

基于多孔介质的指尖密封各向异性传热模型

在指尖密封多孔介质流动模型的基础上,将指尖密封片之间的接触传热附加于固体导热之中,之后通过对密封固体结构与结构内流体的耦合各向异性传热进行理论分析,建立了指尖密封各向异性传热数学模型;基于商业软件Fluent中的用户自定义标量（UDS）方程功能,开发了多孔介质各向异性传热数值计算模块,并数值模拟了指尖密封结构内的流动与传热特性。结果表明:指梁与指尖靴区域的各向异性有效导热系数张量与孔隙率、径向和周向位置以及轴向接触热阻等因素相关;指尖密封最高温度出现在指尖靴与转子接触面的略下游处;与各向同性传热模型相比,采用各向异性传热模型时,指梁下部和指尖靴区域沿径向和轴向存在较大温度梯度,但温度沿周向的变化两者均很小;泄漏量随着压差的增加逐渐增大,随着转子转速的增加基本不变;指尖密封最高温度值随着压差的增加逐渐减小,随着转子转速的增加逐渐增大。      

Analysis of structural elements made of composite materials with defects

The paper presents an improved technique and the results of strength analysis for the aircraft structural elements with a structural defect like an arbitrary shape delamination.     

激光超声技术在航空碳纤维复合材料无损检测中的应用

随着碳纤维复合材料在航空航天领域越来越广泛的应用,激光超声技术在对其进行无损检测方面的优势逐渐凸显。分析了发展复合材料激光超声无损检测技术的必要性,介绍了碳纤维复合材料激光超声无损检测技术的发展概况,分析了其主要关键技术,包括超声波激光激励技术、超声波激光接收技术和干涉技术等,评述了现有技术存在的问题及未来的发展方向,对激光超声技术未来的应用和发展有一定的参考和借鉴作用。     

火灾试验中复合推进剂热辐射通量的测量

为了验证热辐射通量理论计算方法对推进剂的适用性,采用热辐射计测试了三种推进剂在外部火烧试验中的热辐射通量最大值和平均值,并根据样品燃烧时间计算了样品的热辐射通量。三种推进剂的热辐射通量的测量平均值为2.87kW/m2,2.65kW/m2和3.44kW/m2,理论计算值为4.06kW/m2,7.62kW/m2和3.67kW/m2。结果表明:当样品燃烧时间大于5s时,热辐射通量的测试平均值与理论计算值基本一致;当燃烧时间小于5s时,由于理论计算公式中设定的燃烧热转变为辐射热的比例(0.33)大于实际转化率,导致热辐射通量的理论计算值偏大,因此建议用热辐射计测量样品的热辐射通量。