基于Jones-Nelson本构模型的C/C复合材料喉衬热结构研究
喉衬是构成固体火箭发动机喷管的最小通道,维持着发动机燃烧室的预定工作压强,使燃气由亚音速变为超声速,从而产生推力的关键部件.C/C复合材料由于较好的热力学性能,广泛应用于大型固体火箭发动机喉衬结构,但是由于对该材料复杂的非均质特性认识不足,长期以来一直缺乏适合的本构模型,导致仿真结果误差较大.本文从工程实际出发,以C/C复合材料的Jones-Nelson本构模型为基础,对固体火箭发动机喉衬进行了热结构研究.第二章总结了近年来国内外针对C/C复合材料力学性能的实验方法,研究了C/C复合材料力学性能实验的试样设计,实验数据采样方法,异常数据处理方法,数据统计评估方法等内容,结合国内复合材料实验条件,完成了C/C复合材料轴向、0°方向和90°方向的拉伸、压缩以及剪切的力学性能测试,获得了较为准确的材料力学性能.实验结果表明,C/C复合材料具有显著的各向异性、拉压双模量且存在损伤演化的特性,并为后续Jones-Nelson本构模型的建立提供数据支持.第三章从材料的编织特性出发,进而分析证明其满足正交各向异性本构模型.再以C/C复合材料力学性能实验中单轴力学性能数据为基础,通过回归拟合得到了该材料Jones-Nelson本构模型的各项参数,从而构造了该材料的Jones-Nelson本构模型.再以Jones-Nelson本构模型为基础,通过对该模型进行扩充、修正,使得该模型可以在考虑材料各向异性、拉压双模量和损伤演化特征的情况下,用于表征复杂载荷状态下C/C复合材料的力学性能.第四章研究了喷管组件热传递的数学模型和有限元模型,并结合C/C复合材料的Jones-Nelson本构模型,对喉衬热结构进行了计算,同时完成了固体火箭发动机地面点火的对比实验.从对比结果可以看出,计算得到的喉衬温度场与实验的喉衬温度场基本一致,误差为7.2%,并进行了误差分析.计算得到的喉衬应变场与实验的喉衬应变场基本一致,不考虑Jones-Nelson本构模型的轴向应变计算结果误差为8.3%,环向应变计算结果误差为23.6%,考虑修正Jones-Nelson本构模型的轴向应变计算结果误差为2%,环向应变计算结果误差为4.9%.由此说明修正后的Jones-Nelson本构模型可以较好的描述C/C复合材料的本构关系.
- 作者：
- 陈天宇
- 学位授予单位：
- 航天动力技术研究院
- 专业名称：
- 工程力学
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2016年
- 导师姓名：
- 史宏斌
- 中图分类号：
- V435
- 关键词：
- C/C复合材料；Jones-Nelson本构模型；加权柔度理论；喉衬热结构
- carbon / carbon composite； Jones-Nelson constitutive； weighted slenderness theory； throat； thermal structure