泡沫夾芯結(jié)構(gòu)芯材的導(dǎo)熱及面板的熱沖擊斷裂行為研究.pdf

1、熱防護(hù)系統(tǒng)是高超聲速飛行器必不可少的結(jié)構(gòu)材料系統(tǒng)，用以防止飛行器內(nèi)部器件在氣動(dòng)熱環(huán)境下不致燒毀破壞。為了減輕系統(tǒng)的重量，目前的熱防護(hù)系統(tǒng)多采用夾芯結(jié)構(gòu)，主要由中間夾芯層與內(nèi)外兩層面板組成。輕質(zhì)與隔熱性能使陶瓷泡沫材料成為中間夾芯層的最佳材料。另一方面，高超聲速飛行器服役環(huán)境惡劣，飛行過程中空間粒子的撞擊和劇烈的氣動(dòng)作用經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致外層面板的損壞，進(jìn)而危及整個(gè)系統(tǒng)的安全。因此，了解中間夾芯層材料的導(dǎo)熱性能和外層面板材料的斷裂性能對(duì)提高泡沫夾

2、芯結(jié)構(gòu)的防熱性能是至關(guān)重要的?；诖?，本文對(duì)泡沫材料在高溫條件下的導(dǎo)熱系數(shù)和固體面板材料在熱沖擊下的斷裂行為進(jìn)行系統(tǒng)地研究，主要內(nèi)容如下：
　　利用體心立方單胞模型代表泡沫材料的幾何結(jié)構(gòu)，求解高溫條件下泡沫材料的等效導(dǎo)熱系數(shù)。首先通過幾何光學(xué)定律和衍射理論對(duì)泡沫材料的高溫輻射性質(zhì)參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)。然后通過 Rosseland近似法獲得泡沫材料的輻射導(dǎo)熱系數(shù)。最后運(yùn)用疊加原理給出泡沫材料等效導(dǎo)熱系數(shù)的表達(dá)式。通過分析結(jié)構(gòu)參數(shù)和基體的光學(xué)

3、參數(shù)對(duì)泡沫材料的輻射導(dǎo)熱系數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)大的孔徑和孔隙率有益于泡沫材料內(nèi)輻射的傳播，而反射比對(duì)輻射導(dǎo)熱系數(shù)的影響取決于反射的方式：如果反射是鏡面反射，那么反射比對(duì)輻射導(dǎo)熱系數(shù)不起影響作用。如果反射是漫反射，那么輻射導(dǎo)熱系數(shù)隨反射比呈遞減趨勢(shì)。相比于漫反射，鏡面反射更有利于熱輻射的傳播。為了對(duì)理論模型進(jìn)行驗(yàn)證，采用熱線法實(shí)驗(yàn)測(cè)量了氧化鋁陶瓷泡沫材料在不同溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示兩者吻合良好。
　　基

4、于非傅里葉導(dǎo)熱定律對(duì)固體材料的斷裂行為進(jìn)行研究?？紤]內(nèi)部裂紋為導(dǎo)熱裂紋和熱絕緣裂紋兩種情況。當(dāng)內(nèi)部裂紋為導(dǎo)熱裂紋時(shí)，它可作為加熱（或冷卻）的熱源。此時(shí)，裂紋尖端處會(huì)形成 I型的熱應(yīng)力強(qiáng)度因子。當(dāng)內(nèi)部裂紋為熱絕緣裂紋時(shí)，它不允許任何的熱流通過裂紋。此時(shí)，裂紋尖端處會(huì)形成 II型的熱應(yīng)力強(qiáng)度因子。利用拉普拉斯變換和雙重積分法對(duì)問題進(jìn)行求解，并且討論熱弛豫時(shí)間、裂紋長(zhǎng)度和材料厚度對(duì)熱應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響。通過對(duì)非傅里葉導(dǎo)熱模型和傅里葉導(dǎo)熱模型下

5、的熱應(yīng)力強(qiáng)度因子進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)基于非傅里葉導(dǎo)熱定律的熱應(yīng)力強(qiáng)度因子要大于基于傅里葉導(dǎo)熱定律的熱應(yīng)力強(qiáng)度因子，并且材料厚度越小，差距越明顯。
　　以非傅里葉導(dǎo)熱理論為基礎(chǔ)研究固體材料在遭受急劇溫度載荷作用下的熱沖擊阻力。考慮中心裂紋和邊緣裂紋兩種不同裂紋位置的情況。首先，給出不含裂紋時(shí)的溫度場(chǎng)和相應(yīng)的熱應(yīng)力場(chǎng)。然后通過權(quán)函數(shù)法獲得瞬態(tài)熱應(yīng)力強(qiáng)度因子。最后，基于最大應(yīng)力準(zhǔn)則和斷裂韌性準(zhǔn)則對(duì)熱沖擊阻力進(jìn)行預(yù)測(cè)。通過比較非傅里葉導(dǎo)熱模型與

6、傅里葉導(dǎo)熱模型的區(qū)別，發(fā)現(xiàn)傅里葉導(dǎo)熱模型會(huì)過高地估計(jì)材料的熱沖擊阻力。這說(shuō)明在預(yù)測(cè)介質(zhì)的熱沖擊阻力時(shí)，引入非傅里葉導(dǎo)熱模型是必要的。
　　飛行器在高速飛行時(shí)，劇烈的氣動(dòng)加熱使得泡沫夾芯結(jié)構(gòu)的溫度梯度很高，從而導(dǎo)致應(yīng)力、應(yīng)變梯度也很大。為此，本文第四部分以應(yīng)力梯度非局部彈性
　　理論為基礎(chǔ)，對(duì)材料在熱沖擊作用下的斷裂行為進(jìn)行研究。首先，通過分離變量法求解不含裂紋時(shí)的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)。然后，通過權(quán)函數(shù)法分別獲得中心裂紋和邊緣裂紋兩