熱沖擊作用下含缺陷超高溫陶瓷結(jié)構(gòu)的損傷行為數(shù)值模擬.pdf

1、隨著人類對(duì)空間領(lǐng)域不斷的發(fā)現(xiàn)和探索,超音速飛行技術(shù)已成為具有前瞻性、戰(zhàn)略性的一項(xiàng)技術(shù)。當(dāng)然,航天領(lǐng)域新技術(shù)的日新月異離不開超高溫材料的發(fā)展。目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)超高溫材料的研究與應(yīng)用也在快速發(fā)展,并日趨成熟。高超音速飛行器在大氣中長(zhǎng)時(shí)間服役,其尖銳形鼻錐和翼前緣等結(jié)構(gòu)將經(jīng)歷嚴(yán)重的氣動(dòng)加熱過(guò)程,這對(duì)飛行器的防熱材料和結(jié)構(gòu)將是極為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),尤其對(duì)熱力耦合條件下材料的可靠性提出了嚴(yán)格的要求。
　　 超高溫材料(LIHTMs)指的是在高

2、溫環(huán)境下(≥2000℃)以及反應(yīng)氣氛中(例如原子氧環(huán)境)能夠保持物理和化學(xué)穩(wěn)定性的一種特殊材料。超高溫材料具有高強(qiáng)度和高抗氧化性,能勝任于長(zhǎng)時(shí)間的超高聲速飛行、再入大氣層、跨大氣層飛行和火箭推進(jìn)系統(tǒng)等極端環(huán)境,常用在處于高溫條件的飛行器鼻錐、機(jī)翼尖楔前緣、發(fā)動(dòng)機(jī)端口等各關(guān)鍵部位。
　　 滿足超高溫環(huán)境的材料主要集中在包括硼化物、碳化物、氧化物以及氮化物在內(nèi)的一些過(guò)渡金屬化合物,例如:TaC、ZrB2、ZrC、HfB2、HfC等的

3、熔點(diǎn)都超過(guò)3000℃,這些化合物具有很好的熱化學(xué)穩(wěn)定性,足以在極端環(huán)境下使用。由高熔點(diǎn)硼化物、碳化物以及氧化物組成的多元復(fù)合陶瓷材料被稱為“超高溫陶瓷材料”,它們?cè)?000℃以上表現(xiàn)出很好的抗氧化特性,近年來(lái)備受關(guān)注,已被多國(guó)用于軍事、宇航工程當(dāng)中去。
　　 本文以ZrB2-SiC基超高溫陶瓷材料作為研究對(duì)象,基于再入大氣層條件下對(duì)超高溫陶瓷結(jié)構(gòu)件進(jìn)行結(jié)構(gòu)熱分析;針對(duì)再入大氣層條件下對(duì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行模擬計(jì)算,對(duì)航天飛機(jī)機(jī)翼尖銳前緣

4、結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱應(yīng)力分析,給出了影響熱應(yīng)力分析結(jié)果的主要因素;考慮了含有初始裂紋的超高溫陶瓷材料,并將其作為研究重點(diǎn),通過(guò)有限元分析ABAQUS軟件中的擴(kuò)展有限元方法(XFEM)進(jìn)行熱力學(xué)分析。數(shù)值模擬了處于再入大氣的極端條件下,脆性材料的抗熱沖擊性能,并試圖給出含缺陷的超高溫陶瓷結(jié)構(gòu)在受到熱沖擊載荷條件下的損傷演化規(guī)律。
　　 首先模擬了尖楔型超高溫陶瓷材料結(jié)構(gòu)件的瞬態(tài)傳熱行為,建立了熱沖擊傳熱模型以及以及再入大氣層全過(guò)程熱流密度的

5、加載曲線,通過(guò)對(duì)ZrB2基陶瓷材料和FRCL-12材料兩種不同材料參數(shù)的結(jié)構(gòu)件進(jìn)行模擬分析,得到了溫度分布云圖。經(jīng)過(guò)對(duì)算例中兩種不同材料的結(jié)構(gòu)傳熱分析,并觀察溫度云圖的變化,得出了熱量的傳遞途徑及模型各部分的溫度變化情況。對(duì)于后續(xù)的熱應(yīng)力分析提供了充分的數(shù)據(jù)支持。
　　 通過(guò)分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),超高溫陶瓷材料的比熱、導(dǎo)熱系數(shù)以及密度這三種參數(shù)的變化,都會(huì)對(duì)受熱結(jié)構(gòu)的傳熱行為及溫度變化都產(chǎn)生一定的影響。作為材料最基本的參數(shù),它們相互

6、制約,互相作用,在熱防護(hù)結(jié)構(gòu)受熱過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用。因此,選擇合適的材料應(yīng)用于特殊部位的熱防護(hù)結(jié)構(gòu),對(duì)飛行器的設(shè)計(jì)是尤為重要的。
　　 其次,模擬了再入大氣飛行時(shí),其尖楔型翼前緣結(jié)構(gòu)由氣動(dòng)加熱引起熱變形和熱應(yīng)力情況。相應(yīng)地,建立了力學(xué)結(jié)構(gòu)模型,在傳熱分析的基礎(chǔ)上通過(guò)間接耦合法,計(jì)算了ZrB2基超高溫陶瓷結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力和熱變形,得到其瞬態(tài)熱應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變分布趨勢(shì),根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),在模型受到熱沖擊載荷的前期,溫度隨時(shí)間的推移

7、而急劇升高,相應(yīng)地,由熱沖擊產(chǎn)生的熱應(yīng)力也在短期內(nèi)迅速增大。對(duì)于脆性的超高溫陶瓷來(lái)說(shuō),此階段最容易發(fā)生損傷破壞。同時(shí),介紹了影響熱應(yīng)力分析結(jié)果的主要因素,針對(duì)模擬所得結(jié)果做出了誤差分析。
　　 最后,模擬了含有初始裂紋的超高溫陶瓷結(jié)構(gòu)模型在受熱沖擊初期的溫度分布情況和所受的熱應(yīng)力情況,同時(shí)對(duì)裂紋擴(kuò)展演化過(guò)程進(jìn)行了描述。在熱沖擊條件下,溫度的極速升高導(dǎo)致了非常高熱應(yīng)力作用在模型上,而在含有初始缺陷的模型中,熱應(yīng)力出現(xiàn)了集中的現(xiàn)象,

8、隨著熱流的增大,熱應(yīng)力隨之增加,初始裂紋開始擴(kuò)展,即沿著機(jī)翼前緣處向內(nèi)側(cè)蔓延,當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定值后隨即發(fā)生斷裂,進(jìn)而失效。材料本身除了裂紋區(qū)域外保持完好,并沒(méi)有損傷和孔洞出現(xiàn),整個(gè)破壞過(guò)程完全符合脆性斷裂的特點(diǎn)。
　　 同時(shí)對(duì)比兩款材料的裂紋擴(kuò)展行為的模擬結(jié)果,得出材料的抗熱沖擊性能在一定程度上隨著SiC含量的增加而提高,ZrBz-30vol％SiC的抗熱沖擊性能優(yōu)于同族的其它幾種材料。
　　 本文得到的數(shù)值結(jié)果對(duì)預(yù)測(cè)陶瓷