高温烧蚀条件下碳-酚醛复合材料多场耦合热应力研究

The Carbon-Phenolic Composites’ ablation physics model is established on the investigation of Carbon-Phenolic Composites’ pyrogenation process and its mechanical behavior under high temperature and characteristic of thermophysical measurement in the project. Then coupling simulation method of flow/heat and solid construction is adapted to analyze the theory of the heat exchange process and thermal-stress distribution in Carbon-Phenolic Composites. Investigation of the thermal stress impact under pore space condition is implemented by erosion boundary retiring simulation, using process of Python language. Assessment method of the material thermal-stress failure process is also researched. Finally heat-protection construction of Carbon-Phenolic Composites is optimized by Genetic Algorithm to improve its design and manufacture course and control the failure rate of its whole life.

本项目开展高温下碳-酚醛复合材料热解机理研究和力学性能、热物理性能测试，建立基于体积烧蚀的碳-酚醛多层物理模型。采用流-固-热多学科耦合方法对高温燃气下碳-酚醛复合材料的热传导过程和热应力分布进行理论研究与数值仿真，运用Python语言编程实现对碳-酚醛烧蚀边界退移的模拟，并研究烧蚀和孔隙缺陷对热应力的影响情况，探索热应力破坏评价方法。在此基础上，基于遗传算法对碳-酚醛热防护材料进行结构优化。为热防护复合材料的设计和制备、控制材料的失效奠定基础。

碳酚醛作为烧蚀绝热材料在运载火箭、临近空间飞行器、航天飞机、导弹动力系统等航天航空领域得到了广泛应用。高温高压热载条件下，碳酚醛通过体积内的热分解和表面的烧蚀退移，进行质量和能量的耗散，从而阻隔热流的传递，发挥绝热作用。碳酚醛的热解、烧蚀、传热以及热应力等物理化学过程十分复杂，目前，亟需建立系统的理论和科学的数值方法对其进行研究和分析。本项目结合碳酚醛在发动机喷管中的应用，开展碳酚醛热解、烧蚀、传热以及热应力研究。主要完成了如下研究内容：1)通过耦合热解、烧蚀理论，建立了碳酚醛热传导和热应力分析的数学物理模型，在热传导中引入化学反应方程、加入了质量、能量、材料性质的变化。2)进行了碳酚醛的热物理参数和力学参数测试，得到准确可靠的材料数据。3)在理论和试验的基础上，结合有限元软件，编写子程序代码，实现了对碳酚醛的热解碳化过程、表面烧蚀过程、温度传导过程以及热应力形成过程的模拟和分析。4)通过数值计算，探讨了碳化层、热解层的形成和演化；分析了表面烧蚀的影响因素，研究了热解烧蚀和表面烧蚀对热传导的影响；得到了材料中的热应力分布规律。.将该理论和方法应用到发动机喷管碳酚醛绝热层的的传热计算和热应力分析中，仿真计算与试验数据对比显示：热解烧蚀传热模型具有较高的精度，与试验有很高的一致性。研究工作的意义在于阐述了碳酚醛材料的热解烧蚀机理，得到了碳酚醛高温性能数据，形成了定量计算碳酚醛表面烧蚀、材料碳化以及温度分布和热应的数学方法和仿真程序，填补了国内在碳酚醛基于体积烧蚀的热应力研究方面的空白，为烧蚀绝热性材料的研究奠定基础。该研究工作已经应用于固体火箭发动机绝热设计中，为碳酚醛绝热层的优化设计提供数据支撑，取得了良好效果。