【摘要】：本文使用非傅里葉熱傳導(dǎo)定律研究了碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料身管在火藥燃?xì)鉁囟茸饔孟碌臒醾鲗?dǎo)問題,討論了內(nèi)襯層材料對(duì)溫度場(chǎng)的影響;使用廣義熱彈性理論計(jì)算了身管中的瞬態(tài)耦合溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng);針對(duì)帶有內(nèi)壁環(huán)向裂紋的復(fù)合材料身管,計(jì)算了熱應(yīng)力強(qiáng)度因子,分析了裂紋的擴(kuò)展模式;研究了內(nèi)襯層和復(fù)合材料層之間存在的柱狀界面裂紋對(duì)瞬態(tài)溫度場(chǎng)的擾動(dòng)問題。傳統(tǒng)的傅里葉熱傳導(dǎo)理論在工程實(shí)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新的熱傳導(dǎo)理論。目前,常見的C-V模型和DPL模型通過引入熱遲滯參數(shù)的概念,能夠很好地預(yù)測(cè)熱在介質(zhì)中的傳播過程,它們形式簡(jiǎn)單,物理意義明確,便于使用。本文針對(duì)復(fù)合材料身管,首先使用非傅里葉熱傳導(dǎo)理論計(jì)算了身管在射擊過程中的溫度場(chǎng)變化,并考慮了鋼、碳化硅陶瓷、高熔點(diǎn)金屬鉭三種內(nèi)襯材料的影響�；诜歉道锶~熱傳導(dǎo)模型,學(xué)者們提出了相應(yīng)的熱力耦合模型,稱為廣義熱彈性理論。與C-V和DPL熱傳導(dǎo)模型對(duì)應(yīng)的熱彈性理論分為稱為L(zhǎng)-S和C-T模型,并且C-T模型在一定條件下可以退化為L(zhǎng)-S模型。本文進(jìn)一步使用C-T模型,求解了復(fù)合材料身管在連續(xù)射擊時(shí)的瞬態(tài)溫度場(chǎng)、位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)。文中將纖維增強(qiáng)復(fù)合材料假設(shè)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(xì)觀力學(xué)求得。為了方便地處理動(dòng)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(shí)間變量,在求得在拉式域內(nèi)的解答后,利用拉普拉斯數(shù)值反演技術(shù)獲得時(shí)間域內(nèi)的解。分析了熱傳導(dǎo)模型、熱遲滯參數(shù)、內(nèi)襯材料類型、內(nèi)襯厚度、身管內(nèi)表面熱對(duì)流系數(shù)、纖維含量對(duì)身管為剛體時(shí)的溫度場(chǎng)、身管為變形體時(shí)的溫度場(chǎng)和彈性場(chǎng)的影響。研究表明,相比于散射型的傅里葉模型計(jì)算結(jié)果,使用非傅里葉熱傳導(dǎo)理論預(yù)測(cè)的全復(fù)合材料身管在射擊過程中熱波現(xiàn)象明顯,溫度最大值很高。使用內(nèi)襯材料可以有效降低復(fù)合材料中的溫度值,而且在三種內(nèi)襯材料中,鋼內(nèi)襯具有最優(yōu)異的熱學(xué)響應(yīng)。如果增加內(nèi)襯厚度,則會(huì)進(jìn)一步降低身管上的溫度值。然而內(nèi)襯厚度越厚,身管也會(huì)越重,這使得身管熱響應(yīng)與重量之間成為一對(duì)矛盾體。文章分析了熱力耦合項(xiàng)和慣性項(xiàng)對(duì)結(jié)果的影響,結(jié)果表明,對(duì)于復(fù)合材料身管,耦合效應(yīng)要比慣性效應(yīng)重要很多。因此,在實(shí)際應(yīng)用廣義熱彈性理論時(shí),為了兼顧計(jì)算精度和簡(jiǎn)便性,可以在考慮耦合效應(yīng)的同時(shí)忽略慣性項(xiàng)。與熱響應(yīng)一樣,內(nèi)襯材料的使用,也會(huì)大大減小身管的力學(xué)響應(yīng)。身管內(nèi)表面熱對(duì)流系數(shù)代表了內(nèi)膛環(huán)境溫度變化對(duì)身管溫度場(chǎng)產(chǎn)生影響的難易程度,其值越大,表明輸入到身管內(nèi)部的熱量也越多,因此,溫度值、位移值、應(yīng)力幅值都有所增大。膛內(nèi)溫度升高會(huì)使身管內(nèi)壁附近產(chǎn)生軸向壓應(yīng)力,如果此應(yīng)力高于材料的壓縮屈服極限,就會(huì)使身管內(nèi)表面附近的材料進(jìn)入屈服狀態(tài)。進(jìn)而,當(dāng)溫度降低時(shí),軸向壓應(yīng)力在屈服應(yīng)力的基礎(chǔ)上得到釋放,將產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力,此拉應(yīng)力有可能使身管內(nèi)壁上產(chǎn)生環(huán)向裂紋。本文針對(duì)預(yù)制有一定長(zhǎng)度環(huán)向裂紋的全復(fù)合材料身管,使用廣義熱彈性理論計(jì)算身管在射擊時(shí)的熱斷裂問題,求得了瞬態(tài)熱應(yīng)力強(qiáng)度因子。由于帶內(nèi)襯復(fù)合材料身管的制造工藝問題,并考慮到環(huán)向應(yīng)力的作用,在層間界面上容易產(chǎn)生脫結(jié)現(xiàn)象。本文使用非傅里葉熱傳導(dǎo)理論研究了含柱狀界面裂紋的內(nèi)襯復(fù)合材料身管的熱傳導(dǎo)問題,求得了受到裂紋擾動(dòng)的二維溫度場(chǎng)和熱流密度強(qiáng)度因子。環(huán)向裂紋在軸向熱應(yīng)力作用下構(gòu)成柱坐標(biāo)系下的Ⅰ型斷裂問題,利用標(biāo)準(zhǔn)的傅里葉和漢克兒積分變換技術(shù)、奇異積分方程方法,可以求解該問題。應(yīng)力強(qiáng)度因子代表了應(yīng)力在裂紋尖端的集中程度,是斷裂力學(xué)中的基本概念。分析了熱傳導(dǎo)模型、熱對(duì)流系數(shù)、裂紋長(zhǎng)度、纖維含量對(duì)熱應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響。研究發(fā)現(xiàn),一個(gè)較淺的內(nèi)壁環(huán)向裂紋一旦發(fā)生擴(kuò)展,則會(huì)快速生長(zhǎng)一個(gè)較長(zhǎng)的裂紋,之后裂紋的增長(zhǎng)反而會(huì)受到抑制。熱量在含有柱狀界面裂紋的復(fù)合材料身管中從內(nèi)向外傳播時(shí)會(huì)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(dǎo)熱的,同樣使用奇異積分方程的方法,可以求得溫度場(chǎng)分布和熱流密度強(qiáng)度因子。最后分析了內(nèi)襯材料種類及厚度、裂紋面導(dǎo)熱系數(shù)、內(nèi)表面熱對(duì)流系數(shù)對(duì)結(jié)果的影響。結(jié)果表明,鋼內(nèi)襯復(fù)合材料身管在射擊過程中具有最好的綜合熱響應(yīng),其溫度場(chǎng)最低,熱流密度強(qiáng)度因子也最小。當(dāng)裂紋完全導(dǎo)熱時(shí),裂紋對(duì)溫度場(chǎng)無擾動(dòng);當(dāng)裂紋完全絕熱時(shí),兩個(gè)裂紋表面上溫差最大。
【學(xué)位授予單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TJ301
【圖文】：

生于凹槽根部，其疲勞壽命要比滑膛炮小４３％以上。第二種裂紋是環(huán)向裂紋，它位于和逡逑軸向相垂直的面內(nèi)，也沿著徑向擴(kuò)展。其中，環(huán)向裂紋的間距和深度較徑向裂紋的大，逡逑兩種裂紋的示意圖和環(huán)向裂紋的顯微圖分別如圖１．１和圖１．２所示。逡逑＼邋ｖ邐一／■＂一＂ｆ邋Ｐ－／邋）邋ａｘｉａｌ邋ｓｔｒｅｓｓ逡逑圖１．１身管內(nèi)壁裂紋（Ｌ－Ｒｃｒａｃｋｓ：環(huán)向裂紋；Ｃ－Ｒｃｒａｃｋｓ：徑向裂紋）［１６］逡逑４逡逑

１緒論邐博士學(xué)位論文逡逑結(jié)構(gòu)如所圖１．３示。逡逑ｍ逡逑￡＿＾邋￣Ａ邋／逡逑圖１．３移動(dòng)內(nèi)壓作用下的含界面裂紋復(fù)合材料身管逡逑１．２邋研宄現(xiàn)狀逡逑１．２．１身管中的熱傳導(dǎo)逡逑傅里葉熱傳導(dǎo)理論己經(jīng)被廣泛用來研究身管中的熱傳導(dǎo)現(xiàn)象。對(duì)于金屬身管，Ｃｈｕ逡逑和Ｂｅｎｚｋｏｆｅｒ１２１］Ｂ析計(jì)算了身管在連續(xù)射擊時(shí)的瞬態(tài)溫度場(chǎng)，每發(fā)射擊時(shí)的初始溫度取逡逑上一射擊循環(huán)結(jié)束時(shí)刻的溫度，對(duì)身管內(nèi)外表面施加對(duì)流熱傳導(dǎo)邊界條件。Ｍｉｓｈｒａ等人逡逑［２２］首先使用集總參數(shù)法求解內(nèi)彈道程序獲得了火藥氣體和身管之間的傳熱，之后，再用逡逑有限元法模擬了邋９發(fā)連續(xù)射擊時(shí)身管上的熱傳導(dǎo)過程，發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)吻合得很好。逡逑Ｗｕ｜２３］等人用有限元法計(jì)算了帶有中層冷卻的１５５ｍｗ復(fù)合身管在連續(xù)射擊時(shí)的熱傳導(dǎo)問逡逑題，該身管由一個(gè)外表面刻有半圓形凹槽的內(nèi)襯層和一個(gè)套筒組成，其中，身管內(nèi)壁受逡逑到呈指數(shù)型衰減的熱流密度載荷，對(duì)其他幾個(gè)面則施加對(duì)流熱邊界條件。與自然冷卻身逡逑管的對(duì)比結(jié)果表明

２基本理論邐博士學(xué)位論文逡逑果用很多個(gè)大小不一但是夾雜與基體的相對(duì)體積含量不變（對(duì)于球體不變，對(duì)于逡逑圓柱ｙ／ｆ不變）的配合連續(xù)不斷地替換復(fù)合材料中相應(yīng)的位置（如圖２．１所示），當(dāng)最逡逑小配合的尺寸趨于零時(shí)，復(fù)合材料近似被填滿，該復(fù)合材料的彈性模量收斂于單個(gè)配合逡逑的等效彈性模量。對(duì)于宏觀各向同性的球形顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料，該配合模型的體積彈性逡逑模量結(jié)果參看Ｈａｓｈｉｎ的計(jì)算［１５７］。對(duì)于宏觀上橫觀各向同性的圓柱纖維復(fù)合材料，四個(gè)逡逑材料參數(shù)由Ｈａｓｈｉｎ和Ｒ0Ｓｅｎ［１５８］導(dǎo)出。值得注意的是，針對(duì)配合模型，無法求出顆粒增逡逑強(qiáng)材料的剪切模量和纖維增強(qiáng)材料的橫觀剪切模量的精確值。逡逑Ｓ＃Ｍ逡逑豫窗＿、）逡逑—邋邐邐邐逡逑圖２．１復(fù)合球體配合（復(fù)合圓柱配合）［］５９］逡逑自洽方法（ｓｅｌｆ－ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔｍｅｔｈｏｄ）是一種廣泛使用的求解等效彈性模量的方法，它逡逑在處理一些復(fù)雜問題時(shí)求解過程較為簡(jiǎn)單。為了考慮夾雜與基體的相互影響，自洽方法逡逑的基本思想是：在求解內(nèi)部夾雜應(yīng)力場(chǎng)時(shí)，認(rèn)為夾雜處于一個(gè)無限大等效介質(zhì)中，而此逡逑介質(zhì)的屬性就是待求的復(fù)合材料的等效模量。對(duì)于球形顆粒

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2764829