復(fù)合材料身管廣義熱彈性問(wèn)題理論研究.pdf

1、本文使用非傅里葉熱傳導(dǎo)定律研究了碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料身管在火藥燃?xì)鉁囟茸饔孟碌臒醾鲗?dǎo)問(wèn)題，討論了內(nèi)襯層材料對(duì)溫度場(chǎng)的影響;使用廣義熱彈性理論計(jì)算了身管中的瞬態(tài)耦合溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng);針對(duì)帶有內(nèi)壁環(huán)向裂紋的復(fù)合材料身管，計(jì)算了熱應(yīng)力強(qiáng)度因子，分析了裂紋的擴(kuò)展模式;研究了內(nèi)襯層和復(fù)合材料層之間存在的柱狀界面裂紋對(duì)瞬態(tài)溫度場(chǎng)的擾動(dòng)問(wèn)題。
　　傳統(tǒng)的傅里葉熱傳導(dǎo)理論在工程實(shí)際中的使用由來(lái)已久，然而它的無(wú)限大熱波速這一固有缺陷促使人們探索

2、新的熱傳導(dǎo)理論。目前，常見(jiàn)的C-V模型和DPL模型通過(guò)引入熱遲滯參數(shù)的概念，能夠很好地預(yù)測(cè)熱在介質(zhì)中的傳播過(guò)程，它們形式簡(jiǎn)單，物理意義明確，便于使用。本文針對(duì)復(fù)合材料身管，首先使用非傅里葉熱傳導(dǎo)理論計(jì)算了身管在射擊過(guò)程中的溫度場(chǎng)變化，并考慮了鋼、碳化硅陶瓷、高熔點(diǎn)金屬鉭三種內(nèi)襯材料的影響?；诜歉道锶~熱傳導(dǎo)模型，學(xué)者們提出了相應(yīng)的熱力耦合模型，稱(chēng)為廣義熱彈性理論。與C-V和DPL熱傳導(dǎo)模型對(duì)應(yīng)的熱彈性理論分為稱(chēng)為L(zhǎng)-S和C-T模型，并且

3、C-T模型在一定條件下可以退化為L(zhǎng)-S模型。本文進(jìn)一步使用C-T模型，求解了復(fù)合材料身管在連續(xù)射擊時(shí)的瞬態(tài)溫度場(chǎng)、位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)。
　　文中將纖維增強(qiáng)復(fù)合材料假設(shè)為一具有等效屬性的均勻的橫觀各向同性材料，其等效屬性由細(xì)觀力學(xué)求得。為了方便地處理動(dòng)態(tài)問(wèn)題，通篇使用拉普拉斯積分變換消除控制方程和邊界條件中的時(shí)間變量，在求得在拉式域內(nèi)的解答后，利用拉普拉斯數(shù)值反演技術(shù)獲得時(shí)間域內(nèi)的解。分析了熱傳導(dǎo)模型、熱遲滯參數(shù)、內(nèi)襯材料類(lèi)型、內(nèi)襯厚度

4、、身管內(nèi)表面熱對(duì)流系數(shù)、纖維含量對(duì)身管為剛體時(shí)的溫度場(chǎng)、身管為變形體時(shí)的溫度場(chǎng)和彈性場(chǎng)的影響。研究表明，相比于散射型的傅里葉模型計(jì)算結(jié)果，使用非傅里葉熱傳導(dǎo)理論預(yù)測(cè)的全復(fù)合材料身管在射擊過(guò)程中熱波現(xiàn)象明顯，溫度最大值很高。使用內(nèi)襯材料可以有效降低復(fù)合材料中的溫度值，而且在三種內(nèi)襯材料中，鋼內(nèi)襯具有最優(yōu)異的熱學(xué)響應(yīng)。如果增加內(nèi)襯厚度，則會(huì)進(jìn)一步降低身管上的溫度值。然而內(nèi)襯厚度越厚，身管也會(huì)越重，這使得身管熱響應(yīng)與重量之間成為一對(duì)矛盾體。文

5、章分析了熱力耦合項(xiàng)和慣性項(xiàng)對(duì)結(jié)果的影響，結(jié)果表明，對(duì)于復(fù)合材料身管，耦合效應(yīng)要比慣性效應(yīng)重要很多。因此，在實(shí)際應(yīng)用廣義熱彈性理論時(shí)，為了兼顧計(jì)算精度和簡(jiǎn)便性，可以在考慮耦合效應(yīng)的同時(shí)忽略慣性項(xiàng)。與熱響應(yīng)一樣，內(nèi)襯材料的使用，也會(huì)大大減小身管的力學(xué)響應(yīng)。身管內(nèi)表面熱對(duì)流系數(shù)代表了內(nèi)膛環(huán)境溫度變化對(duì)身管溫度場(chǎng)產(chǎn)生影響的難易程度，其值越大，表明輸入到身管內(nèi)部的熱量也越多，因此，溫度值、位移值、應(yīng)力幅值都有所增大。
　　膛內(nèi)溫度升高會(huì)使身

6、管內(nèi)壁附近產(chǎn)生軸向壓應(yīng)力，如果此應(yīng)力高于材料的壓縮屈服極限，就會(huì)使身管內(nèi)表面附近的材料進(jìn)入屈服狀態(tài)。進(jìn)而，當(dāng)溫度降低時(shí)，軸向壓應(yīng)力在屈服應(yīng)力的基礎(chǔ)上得到釋放，將產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，此拉應(yīng)力有可能使身管內(nèi)壁上產(chǎn)生環(huán)向裂紋。本文針對(duì)預(yù)制有一定長(zhǎng)度環(huán)向裂紋的全復(fù)合材料身管，使用廣義熱彈性理論計(jì)算身管在射擊時(shí)的熱斷裂問(wèn)題，求得了瞬態(tài)熱應(yīng)力強(qiáng)度因子。由于帶內(nèi)襯復(fù)合材料身管的制造工藝問(wèn)題，并考慮到環(huán)向應(yīng)力的作用，在層間界面上容易產(chǎn)生脫結(jié)現(xiàn)象。本文使用非

7、傅里葉熱傳導(dǎo)理論研究了含柱狀界面裂紋的內(nèi)襯復(fù)合材料身管的熱傳導(dǎo)問(wèn)題，求得了受到裂紋擾動(dòng)的二維溫度場(chǎng)和熱流密度強(qiáng)度因子。
　　環(huán)向裂紋在軸向熱應(yīng)力作用下構(gòu)成柱坐標(biāo)系下的Ⅰ型斷裂問(wèn)題，利用標(biāo)準(zhǔn)的傅里葉和漢克兒積分變換技術(shù)、奇異積分方程方法，可以求解該問(wèn)題。應(yīng)力強(qiáng)度因子代表了應(yīng)力在裂紋尖端的集中程度，是斷裂力學(xué)中的基本概念。分析了熱傳導(dǎo)模型、熱對(duì)流系數(shù)、裂紋長(zhǎng)度、纖維含量對(duì)熱應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響。研究發(fā)現(xiàn)，一個(gè)較淺的內(nèi)壁環(huán)向裂紋一旦發(fā)生擴(kuò)

8、展，則會(huì)快速生長(zhǎng)一個(gè)較長(zhǎng)的裂紋，之后裂紋的增長(zhǎng)反而會(huì)受到抑制。熱量在含有柱狀界面裂紋的復(fù)合材料身管中從內(nèi)向外傳播時(shí)會(huì)受到裂紋的阻礙，從而使得熱量在裂紋尖端發(fā)生聚集。文中假定裂紋面是部分導(dǎo)熱的，同樣使用奇異積分方程的方法，可以求得溫度場(chǎng)分布和熱流密度強(qiáng)度因子。最后分析了內(nèi)襯材料種類(lèi)及厚度、裂紋面導(dǎo)熱系數(shù)、內(nèi)表面熱對(duì)流系數(shù)對(duì)結(jié)果的影響。結(jié)果表明，鋼內(nèi)襯復(fù)合材料身管在射擊過(guò)程中具有最好的綜合熱響應(yīng)，其溫度場(chǎng)最低，熱流密度強(qiáng)度因子也最小。當(dāng)裂紋