碳-碳復合材料喉襯熱結構分析及失效行為研究.pdf

1、噴管喉襯是固體火箭發(fā)動機關鍵部件之一，要承受高溫高壓，固體粒子的沖刷以及高溫燃氣的熱化學侵蝕等。惡劣的工作環(huán)境對喉襯部件的安全性造成嚴重影響，而喉襯部件的安全性對固體火箭發(fā)動機能否正常安全工作至關重要。本文以固體火箭發(fā)動機碳/碳復合材料噴管喉襯為研究對象，使用ABAQUS有限元軟件，建立了在接觸熱阻、燒蝕動邊界和界面脫粘等因素影響下的喉襯熱結構計算方法，揭示了決定喉襯失效的關鍵因素，研究了喉襯的失效行為。
　　本文首先對喉襯組件進

2、行了溫度場分析。計算中分別考慮了接觸熱阻和燒蝕動邊界兩個影響因素，分析其對溫度場的影響。結果表明，接觸熱阻大于1′10-4m2×℃/W時對溫度場影響較大，計算時必須考慮接觸熱阻的影響。而當接觸熱阻小于1′10-4m2×℃/W時，對溫度場影響不是很明顯，在計算時可以忽略接觸熱阻的影響。燒蝕動邊界對喉襯內(nèi)壁的溫度場分布影響較小，但對喉襯外壁溫度分布有較大影響，且隨著工作時間的增加，影響越來越明顯。最后綜合這兩個影響因素計算得到了喉襯組件在復

3、雜環(huán)境下的溫度場。其次，在已知溫度場結果的基礎上，采用順序耦合方法，計算了喉襯組件的應力場。分析了接觸熱阻和燒蝕動邊界對應力場的影響以及考慮界面脫粘情況下喉襯應力場分布，分析了脫粘前后喉襯部件的徑向和軸向應力極值特征。結果表明，接觸熱阻對應力場的影響與對溫度場影響的結論一致；燒蝕動邊界對喉襯外壁徑向和軸向應力影響較大，而且燒蝕動邊界對喉襯徑向應力的影響明顯高于軸向。綜合各個影響因素，計算得到了復雜環(huán)境下喉襯應力場。結果表明：工作結束時徑

4、向拉應力為88MPa，壓應力為189MPa；軸向拉應力為71MPa，壓應力為144MPa。最后，在溫度場和應力場分析的基礎上，使用擴展有限元的方法對喉襯的破壞失效行為進行了初步研究。結果表明，喉襯在熱應力作用下會出現(xiàn)斷裂破壞；喉襯對擴張段的擠壓作用會導致擴張段整體斷裂；界面脫粘現(xiàn)象會導致喉襯與背壁之間出現(xiàn)狹小縫隙，喉襯與擴張段相接觸的地方有相互錯開的現(xiàn)象。破壞模式的研究對固體火箭發(fā)動機喉襯組件結構的設計和材料的選取具有一定的工程實用價值