本构模型和变形特征的喉咙插入的C / C复合材料

文摘

轴向编织C / C复合材料被广泛应用于固体火箭发动机的喉咙插入。关键是固体火箭发动机的开发和设计描述准确的macromechanical属性材料。Jones-Nelson模型是用来描述轴向的本构关系编织C / C复合材料。Jones-Nelson模型扩展和修改的C / C复合材料在复杂加载条件下。典型的外部负载测试精度进行了验证。在此基础上,轴向的变形特性编织C / C复合喉咙插入了发动机工作过程中,应变的喉咙插入在工作过程中是通过有限元法。外表面的应变和温度的喉咙插入测量发动机的地面测试,并与有限元法计算结果相比来验证模型的准确性。结果表明,基于修改Jones-Nelson模型的有限元计算结果与试验结果是在一个好的协议。它显示了修改后的Jones-Nelson模型可以更好地描述C / C复合材料的本构关系,并可以推广到工程应用的喉咙插入固体火箭发动机。

1。介绍

从1960年代到现在,许多学者致力于研究非线性复合材料的理论,提出了各种各样的非线性理论。然而,由于缺乏可用的测试条件和理论,很难系统地描述整个机械材料在微观或中尺度的行为,因此,一个统一的模式无法实现。建立的本构关系理论研究人员基于连续介质力学方法可以概括如下:(一)非线性弹性理论,(b)弹性损伤理论,(c)古典增量塑性理论,和(d) endochronic理论(1]。最后三种类型的理论有很强的针对性,不方便工程应用程序由于计算复杂,大多是由微观描述和技术方法或有限元方法。第一个理论基于宏观力学方法是密切相关的弹性理论被广泛使用,它更容易被引入工程设计(2]。

研究复合材料的宏观非线性本构关系,更频繁地使用非线性模型,理论模型包括小Hahn-Tsai剪切非线性模型,Hahn-Tsai横向非线性修正模型,Jones-Nelson非线性模型(3]。其中,Jones-Nelson复合材料的非线性本构模型是杰出的在解决非线性问题,建立了琼斯和纳尔逊使用复合材料的力学性能之间的关系和材料的应变能密度4]。

喉咙插入喷嘴的关键组件的固体火箭发动机(5- - - - - -8是在非常严苛的热力学条件9- - - - - -11),所以喉咙插入的热结构设计是固体火箭发动机设计的重要组成部分。轴向编织C / C复合材料广泛应用于大型固体火箭发动机的喉咙插入热结构为他们更好的热力学性质(12- - - - - -15]。然而,由于知识不足的复杂异构特性的材料,本构模型具有良好的性能已经缺乏了很长时间,导致一个大应变或应力的计算误差的喉咙插入(16- - - - - -20.]。

更好的表示轴编织C / C复合材料的力学性能,Jones-Nelson本构模型扩展本文和模型中的参数是通过单轴拉伸、压缩和剪切测试。热机的耦合分析的喉咙插入结构是由有限元法,和它的温度和应变分布。为了验证模型的准确性,温度和应变变化随着时间的推移在喉咙插入相应的位置是通过地面测试测量和记录。结果验证模型的准确性进行比较的结果与有限元法的结果。

2。本构模型的轴向编织C / C复合材料

在多轴编织纤维增强碳矩阵复合材料,纤维棒通过拉挤成型形成一个轴向强化网络和利用软碳纤维束编织成prewoven体。纤维棒排列在一个等边三角形的轴向方向,而纤维束通过他们先后从三个渠道0°,60°、120°,以便提高层间形成(如图1),并重复这个过程,直到完成prewoven身体所需的尺寸。prewoven体是由沥青浸渍加工,碳化,致密化过程和高温过程制造轴编织C / C复合材料。prewoven体的最小单位是对称的沿着轴向方向,和编织厚度沿轴向方向积累,所以它被称为轴向编织C / C复合材料。

2.1。Jones-Nelson模型

任何损害的发生形式非线性材料将伴随着不同的应变能和相应的刚度衰减的变化,这将导致材料的非线性本构关系。琼斯和纳尔逊提出以下Jones-Nelson模型根据材料弹性和应变能之间的一对一的关系(3]:

的公式,通常是非线性力学性能,弹性模量和泊松比。

, ,和代表初始斜率,初始曲率和初始曲率变化的速度 - - - - - -应力-应变曲线,分别;应变能密度;和是一个常数,使得 无量纲。

没有限制数量和类型的非线性力学性能在这个模型。应变能密度的相关方程既不定向,也不选择坐标系统,形式简洁。材料的本构关系可以建立在各个方向的单轴机械测试材料的主要方向,便于工程计算。因此,它可广泛用于描述各种复合材料的非线性性能。

2.2。Jones-Nelson的扩展模型

有一个限制Jones-Nelson本构模型时计算;材料的应变能密度必须小于材料的单向应变能密度限制。然而,至于高度各向异性复合材料,尤其是当材料在复杂加载条件下,材料是钢筋,因为损伤演化和应变能密度通常比单轴应变能密度更大的限制。处理这个限制,Jones-Nelson本构模型需要合理的扩大。当材料的损伤演化阶段,应力-应变曲线沿切线方向,补充和扩展理论方案显示在图2(一个)(2]。该计划的扩展Jones-Nelson本构模型如图2 (b)也可以从补充获得应力-应变曲线模型。

基于方程(1),的分段表达式Jones-Nelson轴编织C / C复合材料的本构关系建立,如图所示

的公式,压力是至关重要的。当压力小于 ,材料是线弹性的行为,而当压力超过 ,非线性弹塑性材料的行为。

材料的应力-应变曲线获得通过拉伸、压缩和剪切测试如图3。修改后的Jones-Nelson本构模型通过数据获取安装材料的本构参数如表所示1在细节。

不同批次的材料的拉伸和剪切试验进行验证本文提出的本构模型的准确性。对比测试结果和本构模型的拟合结果如图4。

实验在室温下进行,英斯特朗5500 r的拉力测试机是用于拉伸试验,峨山(MTS) 858迷你Bionix压缩测试机是用于压缩试验,英斯特朗4505万能测试机和用于剪切试验。拉伸和压缩试样的应变测量实现了通过测量试样的表面应变的伸长计仪器。剪切试验的试样的应变是由试样表面应变计测量。

这可以从图中找到4,本文提出的本构模型的结果与测试值有很好的一致性。

材料拉伸时,轴向弹性模量略大于径向弹性模量在弹性阶段,在弹塑性阶段,非线性轴向方向是重要的和模量逐渐随载荷增大而减小。

压缩材料时,材料的径向弹性模量略大于轴向弹性模量在弹性阶段,在弹塑性阶段,两个方向的非线性是重要的和模量随载荷的增加而迅速减小。

轴向编织C / C复合材料显然dual-modulus拉伸和压缩的特点,其中拉伸模量明显大于压缩模量。

轴向的非线性行为编织C / C复合材料剪切载荷作用下更加明显。在这个过程中,他们表现出非线性行为除了弱线性弹性特征在最初阶段。

3所示。计算的结构变形特征喉咙插入

在轴向拉伸试验,计算结果与试验结果吻合较好,在应变0.06%。当压力继续增加,计算误差逐渐增大,最大是28%以内。在轴向压缩试验,计算结果与试验结果吻合较好,在应变0.4%。随着压力不断增加,逐渐增加和最大计算误差小于8.3%。

在径向拉伸试验,模型的计算结果与试验结果吻合较好,误差小于2%。径向压缩试验,计算结果与试验结果吻合较好,在应变1%。当压力继续增加,计算误差逐渐增大,最大是6%以内。

剪切试验,模型计算结果与试验结果一致,和错误与应变的增加逐渐增加,最大误差小于8%。

3.1。有限元模型和算法

固体火箭发动机喷管的有限元模型如图5由5部分组成,包括喉咙插入、发散部分,收敛部分,后壁和外壳。他们的材料参数如表所示2。

对流换热系数、壁温度和壁压力分布是必要的计算喷嘴温度分布和热应力场的工程算法。对流传热系数是由巴茨公式:

在哪里是喷嘴喉部直径、插入是气体动态粘滞系数,气体常数pressure-specific热容,是气体普朗特数,是气体在喷嘴入口总压,是气体特征速度,是喷嘴喉部插入曲率半径,是喷嘴喉部插入区域,计算截面的面积,是对流传热系数的校正因子。

的准一维等熵流喷嘴可以解决由以下方程。

在哪里是气体的比热容比,是气体喷嘴进气温度,总是气体在喷嘴入口总压,的壁温计算部分,是温度的计算部分,然后呢是3月数计算的部分。

3.2。边界条件和离散方法

简化的轴对称模型也适用于固体域计算。采用局部网格加密在应力集中区域。选择计算元素CAX4RT它考虑了温度和压力的计算可以获得更准确的结果。计算模型如图4。网格的数量约为200000。

喉咙插入和绝缘的接口设置的接触条件下,摩擦系数是0.25。除此之外,其他组件的其他接口设置为绑定。每个组件的材料参数如表所示1。耦合temp-displacement(瞬态)分析步骤,计算时间是20多岁。

喷嘴的初始温度是20°C,燃烧室的燃气温度 ,和气体压力 在计算。凸缘板壳的进口喷嘴固定在轴向方向,外墙的喷嘴在绝热条件。

3.3。温度场的分析

分析后的整体热喷嘴的结构,只有温度场和应变场的喉咙插入进行了分析。

图6显示温度喉咙插入在20年代的轮廓。它可以发现,最高温度2554°C位于列的入口部分,而最低温度477°C交界处喉咙插入和后壁的一部分。

3.4。应变场的分析

应变仪的温度为126°C 5 s,到达临界点的脱胶。因此,应变场只提取前5 s进行分析。

图7(一)显示了轴向应变等值线的喉咙插入5 s不考虑Jones-Nelson本构模型。它可以看到从图5 s的轴向应变都是积极的。最大应变位于喉部结内壁的一部分插入和收敛性部分,而最小应变位于连接部分的外墙喉咙插入和后壁。

图7 (b)显示了轴向应变等值线的喷嘴喉部插入5 s考虑Jones-Nelson本构模型。从图可以看出,5 s的轴向应变是积极的内壁附近的喉咙插入,但它是负的外壁附近的喉咙插入接近。最大应变位于喉部结内壁的一部分插入和收敛性部分,而最小应变位于附近的喉咙插入外墙。

图7 (c)展品喉箍应变等值线的插入而不考虑Jones-Nelson本构模型。从图可以看出,所有箍菌株5 s是积极的。最大应变位于内壁之间的连接部分的喉咙插入和收敛性部分,而最小应变位于外墙之间的连接部分的喉咙插入和后壁。

图7 (d)展品喉箍应变等值线的插入在Jones-Nelson 5 s考虑本构模型。它可以看到从图5 s的箍应变都是积极的。最大应变位于内壁之间的连接部分的喉咙插入和收敛性部分,而最小应变位于外墙之间的连接部分的喉咙插入和后壁。

4所示。地面测试的讨论结果

4.1。的汽车测试和测量位置

测试是由利用标准测试HTPB-type推进剂发动机,燃烧室的最高温度为3450 K,最大工作压力为7.5 MPa,平均工作压力为6.25 MPa,工作时间持续20多岁。

喷嘴结构如图8。根据测试要求,温度传感器嵌入在不同位置的轴向方向喉咙插入。应变传感器(轴向)(在圆周方向上)是嵌入的外表面喉咙插入。

热电偶安装在钻喉咙插入测量喷嘴的温度。因为铂铑热电偶很容易损坏,利用气相钨铼热电偶在高温区域的喉咙插入、和k采用镍铬镍硅热电偶在低温地区。

喉咙插入的高温应变计是选为BB (BAB) 120 - 4 - aa250箔应变计温度自动补偿功能由中国航空电子测试有限公司有限公司的测试温度范围是-40 ~ 250°C,键是NP-50高温胶水。图9显示了喉咙插入键合温度传感器和高温应变仪。

4.2。测试温度场的分析

电动机的工作过程中温度变化提取起初并与数值计算结果,如图10。计算结果与试验结果有很好的一致性,和非常相似的变化趋势。计算值比测量值略高,这可能导致有限元计算不考虑的self-ablation影响喉咙插入。温度场的最大计算偏差≤9.1%。

4.3。应变场的分析测试

5 s前应变变化曲线与数值计算的结果相比,如图11。

如图(11日),轴向应变的测试曲线连续性好。最高的轴向应变在的位置出现在3.87 s。在计算没有考虑到Jones-Nelson本构模型,轴向应变达到在3.87秒,测试数据的误差为8.3%。考虑到Jones-Nelson本构模型计算,轴向应变在3.87秒,测试数据误差的平均值是2.0%。

箍应变的测试曲线具有良好的连续性和一致性,如图11 (b)。最高的菌株在位置出现在3.89秒,这是 。在计算没有考虑到Jones-Nelson本构模型,箍应变达到在3.89秒,测试数据的误差为23.6%。在考虑到Jones-Nelson本构模型,计算箍应变在3.89秒,测试数据误差的平均值是4.9%。所以,结论是,考虑到Jones-Nelson本构模型计算结果更准确。

5。结论

(1)Jones-Nelson模型扩展和修改。新模型可以表达轴编织C / C复合材料的力学性能在复杂加载条件下。此外,模型验证了典型的拉伸,压缩和剪切测试(2)电动机的机械耦合的数值计算和分析喷嘴工作过程中实现的。温度和应变分布的喉咙插入了,它可以应用于计算和分析的热结构喉咙插入(3)数值结果与地面点火测试的结果。结果表明,计算结果考虑Jones-Nelson模型更符合测试结果,进一步验证Jones-Nelson扩展模型的合理性。

数据可用性

大部分的数据在这个手稿是商业机密,作者不能完全提供。在未来,如果有必要,作者可以分享一些数据与评论家或读者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这篇文章是由西安交通大学和陕西省自然科学基础研究计划(2021金桥- 527)。

引用

1. l . h . Tan Yufen, d .兴文县,僰族”精制Jones-Nelson物理非线性材料模型和橡胶叶片分析,“Acta Mechanica开发中央研究院,19卷,不。1、15 - 25,1998页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. l . h . Tan Yuyan, d .兴文县,僰族”一种改进Jones-Nelson非线性材料模型和橡胶复合材料板分析,“Acta Mechanica开发中央研究院,19卷,不。1、几个,1998页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. C .和田玉s hong bin t . Min, l .耿和x程海”分析C / C复合材料的喉咙失真Jones-Nelson本构模型的基础上,“固体火箭技术杂志》上,40卷,不。4、414 - 419年,2017页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. m .,阿尔巴诺A Delfini r·帕斯托雷,“新技术生产的高碳/碳复合材料厚度对于发射器的应用程序,“《宇航学报卷,128年,第285 - 277页,2016年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. k . n . Shivakumar和a . Cozart”分析,三维编织复合材料烧蚀火箭喷嘴,”ASME夏天2002流体工程部门会议,1 - 8,2002页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. 美国美国Jun-ming, z h . o . Shao-jian, x,大肠Ning-juan et al .,“喷嘴热环境对烧蚀率的影响固体火箭发动机的喉咙插入,“新型碳材料,33卷,不。5,442 - 448年,2018页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. s . j .公园和m . s .赵”效应的氧化填料碳碳复合材料界面力学性能的测量高温,”碳,38卷,不。7,1053 - 1058年,2000页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. d·比安奇f . Nasuti,马特利大肠,“流耦合分析和表面消融在碳碳火箭喷嘴,”宇宙飞船和火箭杂志》上,46卷,不。3、492 - 500年,2012页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. x侯,w . Cheng n . Chen和H.-y。周”,制备高性能碳/碳复合材料的喉咙插入织轴碳棒,”碳,67卷,2014年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. 郭y, H.-y。谢,j . Zeng-rong x浮出水面,“铼涂层的力学性能和耐热震性铱/铼/碳碳复合材料,”Procedia工程卷,99年,第1414 - 1407页,2015年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. d·比安奇f . Nasuti m . Onofri马特利大肠,“热化学侵蚀分析chraphite /碳碳火箭喷嘴,”《推进和权力,27卷,不。1,第205 - 197页,2011。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. c . Wang t . Min, l . Weikai”研究轴向编织碳/碳复合材料的微观结构特征基于SEM和ct机,”材料,13卷,不。6、2020。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. 曹p c . Wang, m . Tang w .田,k . Liu和b . Liu”研究属性预测和编织优化轴编织碳/碳复合材料、”材料,13卷,不。11,2588年,页2020。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. j .丽丽w . Rina x宋美龄,l . Zhenguo和z .鑫威”的抗拉和抗压性能试验研究3 d 4-directional编织碳纤维/环氧树脂复合材料在热环境下,“Procedia工程,37卷,不。2、309 - 317年,2020页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. j j。郭台铭,W.-Z。方,Y.-J。李戴,s, W.-Q。道,“Multi-size单位细胞来预测有效热导率的三维编织复合材料编织,”复合结构,163卷,2017年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. j j。郭台铭,z, Y.-J。李戴,s, W.-Q。道,“有效热导率的数值预测三维编织复合材料编织,”复合结构,125卷,2015年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. t . C . Wang熊维平,t . Min”研究力学性能和破坏机理的轴向编织C / C复合材料,”国际航空航天工程杂志》上卷。2021年,12页,2021。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
18. l . Lazzarotto l . Dubar Dubois, p . Ravassard和j·奥丁,“识别库仑摩擦系数在实际接触条件应用于拉丝过程中,“穿,卷211,不。1,54 - 63年,1997页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
19. 大肠诉Morozov和j . f . p . p . de la Beaujardiere”数值模拟的动态thermostructural响应复合火箭喷嘴喉部,”复合结构,卷91,不。4、412 - 420年,2009页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
20. 林,抛出,z Ning et al .,“Thermo-structural反应引起的结构差距,差距为固体火箭发动机喷嘴设计,“能量,9卷,不。6,430 - 435年,2016页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

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