复合材料身管广义热弹性问题理论研究

发布时间：2020-07-21 21:24

【摘要】：本文使用非傅里叶热传导定律研究了碳纤维增强树脂基复合材料身管在火药燃气温度作用下的热传导问题,讨论了内衬层材料对温度场的影响;使用广义热弹性理论计算了身管中的瞬态耦合温度场和热应力场;针对带有内壁环向裂纹的复合材料身管,计算了热应力强度因子,分析了裂纹的扩展模式;研究了内衬层和复合材料层之间存在的柱状界面裂纹对瞬态温度场的扰动问题。传统的傅里叶热传导理论在工程实际中的使用由来已久,然而它的无限大热波速这一固有缺陷促使人们探索新的热传导理论。目前,常见的C-V模型和DPL模型通过引入热迟滞参数的概念,能够很好地预测热在介质中的传播过程,它们形式简单,物理意义明确,便于使用。本文针对复合材料身管,首先使用非傅里叶热传导理论计算了身管在射击过程中的温度场变化,并考虑了钢、碳化硅陶瓷、高熔点金属钽三种内衬材料的影响。基于非傅里叶热传导模型,学者们提出了相应的热力耦合模型,称为广义热弹性理论。与C-V和DPL热传导模型对应的热弹性理论分为称为L-S和C-T模型,并且C-T模型在一定条件下可以退化为L-S模型。本文进一步使用C-T模型,求解了复合材料身管在连续射击时的瞬态温度场、位移场和应力场。文中将纤维增强复合材料假设为一具有等效属性的均匀的横观各向同性材料,其等效属性由细观力学求得。为了方便地处理动态问题,通篇使用拉普拉斯积分变换消除控制方程和边界条件中的时间变量,在求得在拉式域内的解答后,利用拉普拉斯数值反演技术获得时间域内的解。分析了热传导模型、热迟滞参数、内衬材料类型、内衬厚度、身管内表面热对流系数、纤维含量对身管为刚体时的温度场、身管为变形体时的温度场和弹性场的影响。研究表明,相比于散射型的傅里叶模型计算结果,使用非傅里叶热传导理论预测的全复合材料身管在射击过程中热波现象明显,温度最大值很高。使用内衬材料可以有效降低复合材料中的温度值,而且在三种内衬材料中,钢内衬具有最优异的热学响应。如果增加内衬厚度,则会进一步降低身管上的温度值。然而内衬厚度越厚,身管也会越重,这使得身管热响应与重量之间成为一对矛盾体。文章分析了热力耦合项和惯性项对结果的影响,结果表明,对于复合材料身管,耦合效应要比惯性效应重要很多。因此,在实际应用广义热弹性理论时,为了兼顾计算精度和简便性,可以在考虑耦合效应的同时忽略惯性项。与热响应一样,内衬材料的使用,也会大大减小身管的力学响应。身管内表面热对流系数代表了内膛环境温度变化对身管温度场产生影响的难易程度,其值越大,表明输入到身管内部的热量也越多,因此,温度值、位移值、应力幅值都有所增大。膛内温度升高会使身管内壁附近产生轴向压应力,如果此应力高于材料的压缩屈服极限,就会使身管内表面附近的材料进入屈服状态。进而,当温度降低时,轴向压应力在屈服应力的基础上得到释放,将产生残余拉应力,此拉应力有可能使身管内壁上产生环向裂纹。本文针对预制有一定长度环向裂纹的全复合材料身管,使用广义热弹性理论计算身管在射击时的热断裂问题,求得了瞬态热应力强度因子。由于带内衬复合材料身管的制造工艺问题,并考虑到环向应力的作用,在层间界面上容易产生脱结现象。本文使用非傅里叶热传导理论研究了含柱状界面裂纹的内衬复合材料身管的热传导问题,求得了受到裂纹扰动的二维温度场和热流密度强度因子。环向裂纹在轴向热应力作用下构成柱坐标系下的Ⅰ型断裂问题,利用标准的傅里叶和汉克儿积分变换技术、奇异积分方程方法,可以求解该问题。应力强度因子代表了应力在裂纹尖端的集中程度,是断裂力学中的基本概念。分析了热传导模型、热对流系数、裂纹长度、纤维含量对热应力强度因子的影响。研究发现,一个较浅的内壁环向裂纹一旦发生扩展,则会快速生长一个较长的裂纹,之后裂纹的增长反而会受到抑制。热量在含有柱状界面裂纹的复合材料身管中从内向外传播时会受到裂纹的阻碍,从而使得热量在裂纹尖端发生聚集。文中假定裂纹面是部分导热的,同样使用奇异积分方程的方法,可以求得温度场分布和热流密度强度因子。最后分析了内衬材料种类及厚度、裂纹面导热系数、内表面热对流系数对结果的影响。结果表明,钢内衬复合材料身管在射击过程中具有最好的综合热响应,其温度场最低,热流密度强度因子也最小。当裂纹完全导热时,裂纹对温度场无扰动;当裂纹完全绝热时,两个裂纹表面上温差最大。
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TJ301
【图文】：

示意图,身管,环向裂纹,径向裂纹

生于凹槽根部，其疲劳寿命要比滑膛炮小４３％以上。第二种裂纹是环向裂纹，它位于和逡逑轴向相垂直的面内，也沿着径向扩展。其中，环向裂纹的间距和深度较径向裂纹的大，逡逑两种裂纹的示意图和环向裂纹的显微图分别如图１．１和图１．２所示。逡逑＼邋ｖ逦一／■＂一＂ｆ邋Ｐ－／邋）邋ａｘｉａｌ邋ｓｔｒｅｓｓ逡逑图１．１身管内壁裂纹（Ｌ－Ｒｃｒａｃｋｓ：环向裂纹；Ｃ－Ｒｃｒａｃｋｓ：径向裂纹）［１６］逡逑４逡逑

复合材料身管,界面裂纹,内压,身管

１绪论逦博士学位论文逡逑结构如所图１．３示。逡逑ｍ逡逑￡＿＾邋￣Ａ邋／逡逑图１．３移动内压作用下的含界面裂纹复合材料身管逡逑１．２邋研宄现状逡逑１．２．１身管中的热传导逡逑傅里叶热传导理论己经被广泛用来研究身管中的热传导现象。对于金属身管，Ｃｈｕ逡逑和Ｂｅｎｚｋｏｆｅｒ１２１］Ｂ析计算了身管在连续射击时的瞬态温度场，每发射击时的初始温度取逡逑上一射击循环结束时刻的温度，对身管内外表面施加对流热传导边界条件。Ｍｉｓｈｒａ等人逡逑［２２］首先使用集总参数法求解内弹道程序获得了火药气体和身管之间的传热，之后，再用逡逑有限元法模拟了邋９发连续射击时身管上的热传导过程，发现仿真结果与实验吻合得很好。逡逑Ｗｕ｜２３］等人用有限元法计算了带有中层冷却的１５５ｍｗ复合身管在连续射击时的热传导问逡逑题，该身管由一个外表面刻有半圆形凹槽的内衬层和一个套筒组成，其中，身管内壁受逡逑到呈指数型衰减的热流密度载荷，对其他几个面则施加对流热边界条件。与自然冷却身逡逑管的对比结果表明

自洽方法,复合圆柱,等效弹性模量,复杂问题

２基本理论逦博士学位论文逡逑果用很多个大小不一但是夹杂与基体的相对体积含量不变（对于球体不变，对于逡逑圆柱ｙ／ｆ不变）的配合连续不断地替换复合材料中相应的位置（如图２．１所示），当最逡逑小配合的尺寸趋于零时，复合材料近似被填满，该复合材料的弹性模量收敛于单个配合逡逑的等效弹性模量。对于宏观各向同性的球形颗粒增强复合材料，该配合模型的体积弹性逡逑模量结果参看Ｈａｓｈｉｎ的计算［１５７］。对于宏观上横观各向同性的圆柱纤维复合材料，四个逡逑材料参数由Ｈａｓｈｉｎ和Ｒ0Ｓｅｎ［１５８］导出。值得注意的是，针对配合模型，无法求出颗粒增逡逑强材料的剪切模量和纤维增强材料的横观剪切模量的精确值。逡逑Ｓ＃Ｍ逡逑豫窗＿、）逡逑—邋逦逦逦逡逑图２．１复合球体配合（复合圆柱配合）［］５９］逡逑自洽方法（ｓｅｌｆ－ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔｍｅｔｈｏｄ）是一种广泛使用的求解等效弹性模量的方法，它逡逑在处理一些复杂问题时求解过程较为简单。为了考虑夹杂与基体的相互影响，自洽方法逡逑的基本思想是：在求解内部夹杂应力场时，认为夹杂处于一个无限大等效介质中，而此逡逑介质的属性就是待求的复合材料的等效模量。对于球形颗粒

【参考文献】