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文檔簡介
1、極高溫度梯度和極大溫升率下的熱力耦合問題是許多現(xiàn)代工程技術(shù)領(lǐng)域必須面對的關(guān)鍵性問題。課題的應(yīng)用領(lǐng)域涉及航空航天的熱防護(hù)體系(如熱障涂層),微電子領(lǐng)域的微納器械的熱力耦合問題(MEMS器械的加工與制備)以及生物材料中的熱力學(xué)問題(腫瘤急冷急熱處理)等。由于顯著細(xì)結(jié)構(gòu)或非均勻內(nèi)結(jié)構(gòu)的特性,使材料在極高溫升率與溫度梯度下的短時程傳熱中表現(xiàn)出顯著的非傅里葉效應(yīng),其熱弛豫時間并不局限于分子或晶格水平,非均勻介質(zhì)具有不同水平的傳熱結(jié)構(gòu)單元,因而有較
2、大的熱弛豫時間值。另一方面,層合結(jié)構(gòu)包含針對剛度增強(qiáng),重量控制,熱防護(hù)性能及電磁場屏蔽等多項要求設(shè)計的各子層,其中往往含多孔或纖維多層材料介質(zhì)在內(nèi)。在這種工作情況下考慮極高溫度梯度和高溫升率的熱力耦合問題便具有了現(xiàn)實意義和研究價值。
針對具有顯著細(xì)結(jié)構(gòu)的多層薄膜材料,極高溫度梯度和極大溫升率條件下熱力耦合傳播問題涉及了以下三方面對傳統(tǒng)理論的挑戰(zhàn):1)傳統(tǒng)的傅里葉定律受到挑戰(zhàn),需要引入熱傳導(dǎo)的非傅里葉定律;2)忽略應(yīng)變和應(yīng)力
3、對溫度分布影響的熱力耦合問題傳統(tǒng)的工程分析方法受到挑戰(zhàn),需要在廣義熱彈性框架下將溫度的時空分布受變形和應(yīng)力時空分布的影響納入考慮;3)應(yīng)力、應(yīng)變和溫度增加量間的一次關(guān)系不足以分析小尺度及非均勻材料和多胞材料的這種熱力耦合效應(yīng),需要在現(xiàn)代本構(gòu)理論框架下發(fā)展和完善本構(gòu)方程,特別要注意引入應(yīng)變梯度理論,并在高溫度梯度條件下完善應(yīng)變梯度理論。
論文基于廣義熱彈性理論,針對纖維增強(qiáng)復(fù)合材料及其多層結(jié)構(gòu),給出在強(qiáng)熱沉積下的熱力耦合響應(yīng)
4、。第二章詳細(xì)介紹了經(jīng)典熱彈性理論和常見的幾種廣義熱彈性理論,并通過具體算例對它們之間的異同進(jìn)行了比較。結(jié)果表明在給定的條件下,經(jīng)典的非耦合熱彈性理論與經(jīng)典的耦合熱彈性理論得出的溫度以及應(yīng)力的分布基本一致,兩種廣義熱彈性理論得出的溫度分布基本一致,而G-L廣義熱彈性理論得到的應(yīng)力要大于L-S廣義熱彈性理論;以激光驅(qū)動的光熱微膨脹臂的熱力耦合分析為例,給出了在廣義熱彈性理論下的靜態(tài)及動態(tài)響應(yīng),說明了廣義熱彈性理論的適用性。
第
5、三章建立纖維增強(qiáng)復(fù)合材料代表性單元,得到了其等效物理量,給出其邊界受熱沖擊作用時不同約束條件下的一維熱力耦合問題中的溫度增加量和應(yīng)力的分布規(guī)律,并討論了它們之間的差異,結(jié)果表明對于給定的條件,應(yīng)力、應(yīng)變對溫度的影響很小。
第四章研究了二維情況下纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在邊界受熱沉積作用下的熱力響應(yīng),且研究了在材料表面金屬涂層時相同邊界條件下的溫度和應(yīng)力的分布規(guī)律,結(jié)果表明距離邊界越近的點的溫度越高且最大壓應(yīng)力越大,表面的金屬涂層可
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