復合材料身管廣義熱彈性問題理論研究.pdf

1、本文使用非傅里葉熱傳導定律研究了碳纖維增強樹脂基復合材料身管在火藥燃氣溫度作用下的熱傳導問題，討論了內襯層材料對溫度場的影響;使用廣義熱彈性理論計算了身管中的瞬態(tài)耦合溫度場和熱應力場;針對帶有內壁環(huán)向裂紋的復合材料身管，計算了熱應力強度因子，分析了裂紋的擴展模式;研究了內襯層和復合材料層之間存在的柱狀界面裂紋對瞬態(tài)溫度場的擾動問題。
　　傳統(tǒng)的傅里葉熱傳導理論在工程實際中的使用由來已久，然而它的無限大熱波速這一固有缺陷促使人們探索

2、新的熱傳導理論。目前，常見的C-V模型和DPL模型通過引入熱遲滯參數的概念，能夠很好地預測熱在介質中的傳播過程，它們形式簡單，物理意義明確，便于使用。本文針對復合材料身管，首先使用非傅里葉熱傳導理論計算了身管在射擊過程中的溫度場變化，并考慮了鋼、碳化硅陶瓷、高熔點金屬鉭三種內襯材料的影響。基于非傅里葉熱傳導模型，學者們提出了相應的熱力耦合模型，稱為廣義熱彈性理論。與C-V和DPL熱傳導模型對應的熱彈性理論分為稱為L-S和C-T模型，并且

3、C-T模型在一定條件下可以退化為L-S模型。本文進一步使用C-T模型，求解了復合材料身管在連續(xù)射擊時的瞬態(tài)溫度場、位移場和應力場。
　　文中將纖維增強復合材料假設為一具有等效屬性的均勻的橫觀各向同性材料，其等效屬性由細觀力學求得。為了方便地處理動態(tài)問題，通篇使用拉普拉斯積分變換消除控制方程和邊界條件中的時間變量，在求得在拉式域內的解答后，利用拉普拉斯數值反演技術獲得時間域內的解。分析了熱傳導模型、熱遲滯參數、內襯材料類型、內襯厚度

4、、身管內表面熱對流系數、纖維含量對身管為剛體時的溫度場、身管為變形體時的溫度場和彈性場的影響。研究表明，相比于散射型的傅里葉模型計算結果，使用非傅里葉熱傳導理論預測的全復合材料身管在射擊過程中熱波現象明顯，溫度最大值很高。使用內襯材料可以有效降低復合材料中的溫度值，而且在三種內襯材料中，鋼內襯具有最優(yōu)異的熱學響應。如果增加內襯厚度，則會進一步降低身管上的溫度值。然而內襯厚度越厚，身管也會越重，這使得身管熱響應與重量之間成為一對矛盾體。文

5、章分析了熱力耦合項和慣性項對結果的影響，結果表明，對于復合材料身管，耦合效應要比慣性效應重要很多。因此，在實際應用廣義熱彈性理論時，為了兼顧計算精度和簡便性，可以在考慮耦合效應的同時忽略慣性項。與熱響應一樣，內襯材料的使用，也會大大減小身管的力學響應。身管內表面熱對流系數代表了內膛環(huán)境溫度變化對身管溫度場產生影響的難易程度，其值越大，表明輸入到身管內部的熱量也越多，因此，溫度值、位移值、應力幅值都有所增大。
　　膛內溫度升高會使身

6、管內壁附近產生軸向壓應力，如果此應力高于材料的壓縮屈服極限，就會使身管內表面附近的材料進入屈服狀態(tài)。進而，當溫度降低時，軸向壓應力在屈服應力的基礎上得到釋放，將產生殘余拉應力，此拉應力有可能使身管內壁上產生環(huán)向裂紋。本文針對預制有一定長度環(huán)向裂紋的全復合材料身管，使用廣義熱彈性理論計算身管在射擊時的熱斷裂問題，求得了瞬態(tài)熱應力強度因子。由于帶內襯復合材料身管的制造工藝問題，并考慮到環(huán)向應力的作用，在層間界面上容易產生脫結現象。本文使用非

7、傅里葉熱傳導理論研究了含柱狀界面裂紋的內襯復合材料身管的熱傳導問題，求得了受到裂紋擾動的二維溫度場和熱流密度強度因子。
　　環(huán)向裂紋在軸向熱應力作用下構成柱坐標系下的Ⅰ型斷裂問題，利用標準的傅里葉和漢克兒積分變換技術、奇異積分方程方法，可以求解該問題。應力強度因子代表了應力在裂紋尖端的集中程度，是斷裂力學中的基本概念。分析了熱傳導模型、熱對流系數、裂紋長度、纖維含量對熱應力強度因子的影響。研究發(fā)現，一個較淺的內壁環(huán)向裂紋一旦發(fā)生擴

8、展，則會快速生長一個較長的裂紋，之后裂紋的增長反而會受到抑制。熱量在含有柱狀界面裂紋的復合材料身管中從內向外傳播時會受到裂紋的阻礙，從而使得熱量在裂紋尖端發(fā)生聚集。文中假定裂紋面是部分導熱的，同樣使用奇異積分方程的方法，可以求得溫度場分布和熱流密度強度因子。最后分析了內襯材料種類及厚度、裂紋面導熱系數、內表面熱對流系數對結果的影響。結果表明，鋼內襯復合材料身管在射擊過程中具有最好的綜合熱響應，其溫度場最低，熱流密度強度因子也最小。當裂紋