三维机织热防护材料的细观结构优化与有限元模拟
发布时间：2021-06-11 04:15
三维机织热防护材料（Woven Thermal Protection System,WTPS）是一种具有双层密度机织的三维机织复合材料,其具有高比模量、高的比强度、剪切强度、抗冲击损伤、损伤容限、可设计性、耐烧蚀和耐高温等优点。三维机织复合材料相比于二维编织层合结构具有良好的整体性能。可以在厚度方向布置连接纤维束,用于加强各层之间的编织,使得材料具有更高的剪切强度。其良好的性能使得三维机织复合材料能够满足航空航天器、军工产品、建筑材料和人造生物材料等领域的要求。本文采用实验表征、理论分析和数值模拟相结合的方法对三维机织热防护材料的压缩性能进行研究;通过编程实现了WTPS热防护材料纤维骨架结构的参数化,经过有限元模拟,研究了WTPS热防护材料纤维骨架结构参数对其各方向上模量的影响。根据飞行器再入过程的实际工况力学需要,对WTPS热防护材料进行细观结构设计,突破了WTPS热防护材料的细观结构连续调控关键技术,为三维编织材料的细观结构设计提供一套有效可行的设计方案。首先,设计WTPS热防护材料的压缩试验,获得了三维机织热防护材料的力学性能相关数据。采用混合率的方法对WTPS热防护材料内部的纤...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
飞行器载入过程的气动热
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-2-风表面布置热防护系统(ThermalProtectionSystem，TPS)能有效隔绝这种气动热，使飞行器内部的温度处于设备的正常运转和飞行器安全范围之内。热防护结构的设计取决于再入过程中飞行器气动热的强度、持续时间及其具体应用部位。按照防热原理的不同，TPS可以分为三大类：即被动防热、半被动防热和主动防热，呈热承载能力递增的趋势。如图1-2所示。图1-2TPS防热方案及结构[2]当飞行器再入大密度大气层时，飞行器表面产生严重的气动热超过了低密度的碳酚醛烧蚀（PhenolicImpregnatedCarbonAblator，PICA）类材料的热性能。传统的碳酚醛类化合物(HeritageCarbonPhenolic，HCP)可以在这种环境下使用；然而，HCP却具有高密度和热导率，这就限制了飞行器只能用大的再入角度再入[3]。当再入角度较小时，特别是考虑到质量效率，HCP并不可行。同时，再入过程要保证热防护系统可承受两次及其以上的气动烧蚀，在这个过程中，材料还需要承受一定的横向剪切力以及部分的纵向压力，这就要求烧蚀TPS材料在烧蚀后具有一定的整体性，烧蚀材料表面不发生脱落。然而，PICA和HCP虽然能承受一定的热流冲击，但在考虑整体性和抗剪切能力时，这类材料并不适用。飞行器再入的要求促使了对烧蚀TPS的替代品的研究。其中，与传统技术相比，三维机织热防护系统（WovenThermalProtectionSystem，WTPS）设计灵活性、热性能和质量性能方面取得了可喜的成果[4]。在飞行器再入以及可返回式火箭尾焰反射冲蚀过程中，WTPS不仅要承受很高的热流，还需要承受一定的横向剪切力以及部分的纵向压力[5]如图1-3可返回式火箭及大底部部受力图。众所周知，哥伦比亚号航天飞机失事的一个重要原因就是飞机表面的隔热材料受到了燃料箱表面脱落的隔热泡沫冲击
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-3-而损伤，在再入过程中失去了防护作用，最终导致了航天器解体。因此，通过理论，模拟和实验相结合的方法研究WTPS的力学性能，特别是在剪切和作压缩用力下的性能，既能提高其使用安全性，也能为材料制造提供一定的指导。（a）可返回式火箭（b）大底部受力图1-3可返回式火箭及大底部部受力图三维机织热防护材料是基于三维机织物的基础上，改进而来的，其制备的过程实质是将经向纤维束和纬向纤维束多层交错制成织物的过程，多层经向纤维束沿着机织方向不断被送入织机，如图1-4所示，然后纤维经过一些杆装置以调整间距和保持张力，最后达到一个升降系统，在这个系统中形成“梭口”，纬向纤维束沿着垂直于经向纤维束方向穿过[6,7]。当织物制备成功之后，选择适当的基体材料，运用液体模塑成型技术[8,9]，如树脂传递模塑成型(RTM)和树脂膜渗透成型(RF)，便可制成三维机织复合材料。图1-4三维机织骨架织机[5]
【参考文献】：
期刊论文
[1]纱线截面压缩变形仿真与验证[J]. 李冠志,赵强,汪军,GONG Hugh. 纺织学报. 2017(02)
[2]碳/环氧面内准各向三维复合材料的动态压缩性能[J]. 孙颖,张鹤江,郝露,陈利. 天津工业大学学报. 2015(02)
[3]z向纱对三维正交复合材料层间剪切性能影响[J]. 孙绯,陈利,孙颖,张倩倩,张典堂,黄健. 固体火箭技术. 2015(01)
[4]纺织复合材料和结构多尺度耦合的数值分析[J]. 田俊,周储伟. 计算力学学报. 2010(06)
[5]三维机织复合材料纱线束截面变形研究[J]. 杨连贺,李姜. 复合材料学报. 2008(04)
[6]三维机织复合材料纱线观测与细观几何模型[J]. 唐逊,周光明,刘旭波,蒋云,张建钟. 南京航空航天大学学报. 2008(03)
[7]三维正交机织复合材料的力学性能研究[J]. 余育苗,王肖钧,王志海,李永池. 实验力学. 2008(03)
[8]基于iSIGHT的多学科设计优化技术研究与应用[J]. 任利,邵园园,韩虎. 起重运输机械. 2008(05)
[9]三维机织复合材料力学性能的各向异性[J]. 杨彩云,李嘉禄. 复合材料学报. 2006(02)
[10]基于纱线真实形态的三维机织复合材料细观结构及其厚度计算[J]. 杨彩云,李嘉禄. 复合材料学报. 2005(06)
博士论文
[1]三维机织复合材料热传导及力学性能的多尺度有限元分析[D]. 赵玉芬.天津工业大学 2017
[2]三维机织复合材料损伤演化与失效行为研究[D]. 仲苏洋.哈尔滨工业大学 2015
本文编号：3223793
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
飞行器载入过程的气动热
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-2-风表面布置热防护系统(ThermalProtectionSystem，TPS)能有效隔绝这种气动热，使飞行器内部的温度处于设备的正常运转和飞行器安全范围之内。热防护结构的设计取决于再入过程中飞行器气动热的强度、持续时间及其具体应用部位。按照防热原理的不同，TPS可以分为三大类：即被动防热、半被动防热和主动防热，呈热承载能力递增的趋势。如图1-2所示。图1-2TPS防热方案及结构[2]当飞行器再入大密度大气层时，飞行器表面产生严重的气动热超过了低密度的碳酚醛烧蚀（PhenolicImpregnatedCarbonAblator，PICA）类材料的热性能。传统的碳酚醛类化合物(HeritageCarbonPhenolic，HCP)可以在这种环境下使用；然而，HCP却具有高密度和热导率，这就限制了飞行器只能用大的再入角度再入[3]。当再入角度较小时，特别是考虑到质量效率，HCP并不可行。同时，再入过程要保证热防护系统可承受两次及其以上的气动烧蚀，在这个过程中，材料还需要承受一定的横向剪切力以及部分的纵向压力，这就要求烧蚀TPS材料在烧蚀后具有一定的整体性，烧蚀材料表面不发生脱落。然而，PICA和HCP虽然能承受一定的热流冲击，但在考虑整体性和抗剪切能力时，这类材料并不适用。飞行器再入的要求促使了对烧蚀TPS的替代品的研究。其中，与传统技术相比，三维机织热防护系统（WovenThermalProtectionSystem，WTPS）设计灵活性、热性能和质量性能方面取得了可喜的成果[4]。在飞行器再入以及可返回式火箭尾焰反射冲蚀过程中，WTPS不仅要承受很高的热流，还需要承受一定的横向剪切力以及部分的纵向压力[5]如图1-3可返回式火箭及大底部部受力图。众所周知，哥伦比亚号航天飞机失事的一个重要原因就是飞机表面的隔热材料受到了燃料箱表面脱落的隔热泡沫冲击
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-3-而损伤，在再入过程中失去了防护作用，最终导致了航天器解体。因此，通过理论，模拟和实验相结合的方法研究WTPS的力学性能，特别是在剪切和作压缩用力下的性能，既能提高其使用安全性，也能为材料制造提供一定的指导。（a）可返回式火箭（b）大底部受力图1-3可返回式火箭及大底部部受力图三维机织热防护材料是基于三维机织物的基础上，改进而来的，其制备的过程实质是将经向纤维束和纬向纤维束多层交错制成织物的过程，多层经向纤维束沿着机织方向不断被送入织机，如图1-4所示，然后纤维经过一些杆装置以调整间距和保持张力，最后达到一个升降系统，在这个系统中形成“梭口”，纬向纤维束沿着垂直于经向纤维束方向穿过[6,7]。当织物制备成功之后，选择适当的基体材料，运用液体模塑成型技术[8,9]，如树脂传递模塑成型(RTM)和树脂膜渗透成型(RF)，便可制成三维机织复合材料。图1-4三维机织骨架织机[5]
【参考文献】：
期刊论文
[1]纱线截面压缩变形仿真与验证[J]. 李冠志,赵强,汪军,GONG Hugh. 纺织学报. 2017(02)
[2]碳/环氧面内准各向三维复合材料的动态压缩性能[J]. 孙颖,张鹤江,郝露,陈利. 天津工业大学学报. 2015(02)
[3]z向纱对三维正交复合材料层间剪切性能影响[J]. 孙绯,陈利,孙颖,张倩倩,张典堂,黄健. 固体火箭技术. 2015(01)
[4]纺织复合材料和结构多尺度耦合的数值分析[J]. 田俊,周储伟. 计算力学学报. 2010(06)
[5]三维机织复合材料纱线束截面变形研究[J]. 杨连贺,李姜. 复合材料学报. 2008(04)
[6]三维机织复合材料纱线观测与细观几何模型[J]. 唐逊,周光明,刘旭波,蒋云,张建钟. 南京航空航天大学学报. 2008(03)
[7]三维正交机织复合材料的力学性能研究[J]. 余育苗,王肖钧,王志海,李永池. 实验力学. 2008(03)
[8]基于iSIGHT的多学科设计优化技术研究与应用[J]. 任利,邵园园,韩虎. 起重运输机械. 2008(05)
[9]三维机织复合材料力学性能的各向异性[J]. 杨彩云,李嘉禄. 复合材料学报. 2006(02)
[10]基于纱线真实形态的三维机织复合材料细观结构及其厚度计算[J]. 杨彩云,李嘉禄. 复合材料学报. 2005(06)
博士论文
[1]三维机织复合材料热传导及力学性能的多尺度有限元分析[D]. 赵玉芬.天津工业大学 2017
[2]三维机织复合材料损伤演化与失效行为研究[D]. 仲苏洋.哈尔滨工业大学 2015
本文编号：3223793
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