【摘要】：再入式飞行器如飞船返回舱等在进入大气层的过程中会经受强烈的气动热,因此需要热防护系统(thermal protection
system,TPS)以保护飞行器及内部设备不被破坏,烧蚀法是一种常用的TPS设计方法随着航天器的发展,轻质烧蚀型热防护材料得以发展,由酚醛树脂浸渍短切碳纤维骨架产生的轻质烧蚀复合材料具有较低的密度和良好的防隔热性能,是新一代烧蚀型航天器热防护材料,其传热传质性能关系到热防护的效果,因此研究并预报其等效热导率、渗透率及压缩力学性能等參数非常重要。本文从微观角度出发,观测材料的微观结构,建立了低密度碳/酚醛复合材料的微观分析模型,利用格子玻尔兹曼方法(Lattice
method,LBM)进行了三维傳热传质分析,利用有限元方法预报了材料压缩力学性能并进行实验验证首先,对低密度碳/酚醛复合材料试样进行SEM观测,得到其微观形貌,基于其微观结构特征,建立了随机均匀分布的纤维网络模型,对微观模型划分Voxel网格进行前处理,作为传热传质分析的数值微观模型。其次,基于LBM编写程序对低密度碳/酚醛复合材料微观尺度模型进行传热传质分析通过硅薄膜传热和顶盖驱动流两个算例,验证了利用LBM传热传质分析的思路流程;茬二维的基础上,针对二进制的材料微观结构模型进行三维传热传质分析,得到了材料的等效热导率和渗透率等参数;并进一步考察了温度、孔隙率、纤维取向和纤维体积分数对等效热导率和渗透率的影响规律。最后,对低密度碳/酚醛复合材料进行了压缩力学性能实验和数值预报將低密度碳/酚醛复合材料试样进行热解炭化,对炭化试样和未炭化试样进行压缩实验测试,得到了两种状态下材料的压缩模量和压缩强度,炭化後试样的压缩强度降低50.27%,压缩模量降低28.44%,并由断口形貌分析该材料主要有弹性弯曲和屈曲两种破坏模式;基于材料微观模型,利用ABAQUS进行压缩力学性能预报,并与实验结果进行对比分析。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位授予年份】：2018
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