HEAT-PIPE-COOLED THERMAL PROTECTION FOR THE LEADING EDGE OF THE WING

针对高超声速飞行器飞行时翼前缘存在着严重的气动加热问题，为了保证翼前缘的尖锐外形，提出疏导式热防护结构，利用内置高温热管结构为翼前缘提供热防护。采用数值模拟和电弧风洞试验的方法对翼前缘疏导式结构进行了分析，得到翼前缘内置高温热管具有的防热效果。数值模拟结果表明在一定热环境条件下，翼前缘驻点温度下降了304K，尾部最低温度升高了130K，实现了热流从高温区到低温区的疏导，减弱了翼前缘的热载荷，强化了翼前缘的热防护能力。通过电弧风洞试验可以获得相同的热防护结果，并且在一定飞行条件下高温热管可以自适应启动，验证了数值模拟方法的准确性以及翼前缘内置高温热管疏导式热防护结构的可行性。     

疏导式热防护在翼前缘中的应用探索

针对高超声速飞行器飞行时翼前缘存在着严重的气动加热问题,为了保证翼前缘的尖锐外形,提出疏导式热防护结构,利用内置高温热管结构为翼前缘提供热防护。采用数值模拟和电弧风洞试验的方法对翼前缘疏导式结构进行了分析,得到翼前缘内置高温热管具有的防热效果。数值模拟结果表明在一定热环境条件下,翼前缘驻点温度下降了304 K,尾部最低温度升高了130 K,实现了热流从高温区到低温区的疏导,减弱了翼前缘的热载荷,强化了翼前缘的热防护能力。通过电弧风洞试验可以获得相同的热防护结果,并且在一定飞行条件下高温热管可以自适应启动,验证了数值模拟方法的准确性以及翼前缘内置高温热管疏导式热防护结构的可行性。     

典型部件疏导式热防护试验技术研究

疏导式热防护是一种新型非烧蚀热防护技术,对未来高超声速飞行器发展具有十分重要的意义。为了验证疏导式热防护原理的有效性、合理性和优越性,并考核疏导式热防护技术实现途径的可行性,在传统热防护试验模拟技术的基础上,开发了大功率长寿命电弧加热和对流辐射耦合加热等试验技术,并考核了高温热管球柱疏导模型的疏导效果。电弧风洞试验结果表明:在高温热管球柱疏导模型防热层装入快速导热元件后,可以有效降低驻点高热流区的表面温度,提升低温区的表面温度,从而降低整体温差基本实现非烧蚀。由此可知该试验方法能够满足典型部件疏导式热防护机理探索及性能考核研究的需要。     

改进的Whipple防护结构与相关数值模拟方法研究进展

基于弹丸在超高速撞击薄板时破碎形成碎片云的机理,Whipple防护结构能够对航天器所面临的空间碎片及微流星体等威胁形成有效防护。通过回顾Whipple防护结构的研究和发展历程,对多层板结构、填充式防护结构、夹芯板结构等进行对比,分析其力学效应和防护性能;总结可应用于含泡沫、蜂窝、梯度和编织等材料的防护结构超高速撞击的数值模拟方法及其改进方法;结合相关材料的超高速撞击试验及数值模拟结果,为防护结构未来的研究方向提出建议。     

Zr基非晶合金JH-2模型的构建及应用

为构建Zr_62.5Nb₃Cu_14.5Ni₁₄Al₆非晶合金在高压、大应变、高应变率状态下的材料模型，采用根据实验数据理论推导和数值模拟对比反馈的方法，对材料的Johnson-Holmquist本构模型（JH-2模型）参数进行了研究:材料的静水压力-体应变关系通过平板冲击实验数据和理论推导得到；无损材料强度与应变、应变率的关系通过轴向压缩实验数据确定；材料损伤参数与破碎材料强度参数的关系通过平板冲击实验数据确定；破碎材料强度参数通过数值模拟与实验结果对比的反馈法得到。将材料模型应用于平板冲击和破片侵彻的数值模拟，通过数值模拟与实验结果对比的方式，验证材料模型的准确性。结果表明，平板冲击实验中，材料的自由面粒子速度曲线与数值模拟结果吻合度较高；破片侵彻实验中，破片对钢靶的侵彻深度、开坑孔径与数值模拟结果的一致性较好，构建的材料模型较准确反映了材料的动态力学特性。     

填充式泡沫铝防护结构的弹道极限

为了探索泡沫材料在空间防护上的应用,结合实验和数值模拟,绘制了弹速0.5~7.0km/s范围 内填充式泡沫铝防护结构的弹道极限曲线,并与Whipple结构进行了比较。结果表明:填充式泡沫铝防护结 构的防护性能优于同等面密度、总厚度的Whipple结构;孔隙率对填充式泡沫铝防护结构防护性能影响较小。     

六相交流放电再入飞行器热环境地面模拟研究

再入飞行器高速飞行过程中,其表面受到强烈的气动加热作用,所产生的复杂高温气体环境会破坏飞行器材料,影响飞行器结构的可靠性.因此,基于地面装置实现高速飞行器再入过程中表面热环境的模拟,对于再入飞行器的热防护测试具有十分重要的意义.文章基于数值模拟,分析了工作气压的变化对等离子体中非平衡能量输运过程以及等离子体气体温度等参数的影响规律,提出了通过改变工作气压来调节等离子体冲击壁面的热流密度的方法.基于此,首先以表面热流密度和加热时间与真实飞行条件下一致为原则,基于六相交流电弧放电等离子体实验平台,产生了大体积、高气体温度,且壁面热流密度可调的等离子体电弧射流.然后,对采用酚醛浸渍基碳热防护材料的烧蚀体进行了地面烧蚀实验,在壁面热流密度为1.07～3.95 MW/m2范围内获得了与文献报道吻合较好的实验结果,初步验证了该方法的可行性.对高速再入飞行器典型部件进行了烧蚀实验,在壁面最高热流密度为5 MW/m2的实验条件下,获得了与空间飞行实验吻合良好的地面模拟实验结果.这表明在不采用高成本风洞的前提下,本论文所提出的地面模拟实验方法可在一定程度上模拟飞行器再入过程中的表面热环境.     

平纹编织C/SiC复合材料低速冲击数值模拟

首先,基于空气炮装置进行了2D-C/SiC薄板在冲击速度为79~219 m/s范围内的低速冲击实验,对碎片云团发展过程进行高速摄影记录;其次,基于Autodyn软件正交各向异性复合材料模型,推导2D-C/SiC材料相关参数;选取SPH求解器建立二维计算模型,对实验工况进行数值模拟,并基于碎片云结构、B扫描检测结果和碎片云轴向发展速度验证了该模型可以很好地描述C/SiC材料在冲击载荷作用下的脆性特征和软化行为。最后,基于数值模拟结果推导得出了钢弹丸冲击C/SiC材料的极限侵彻深度预测公式。     

弹丸超高速撞击防护屏穿孔研究

防护屏穿孔直径在Whipple防护结构的超高速撞击实验中易于测量,是检验超高速撞击实验及数值模拟有效性的重要参数.本文分别采用超高速撞击实验、数值模拟及经验公式对铝合金Whipple防护结构的防护屏穿孔进行了研究.数值模拟结果与实验结果吻合很好,说明本文物理建模及参数的选取是合理的,同时也验证了数值模拟方法的正确性及有效性;使用经验公式进行了对比计算,结果表明Maiden C J给出的公式具有很好的普适性.最后利用数值模拟研究不同材料对超高速撞击防护屏穿孔的影响.合理的应用经验公式及数值模拟可以更加快捷、有效地开展超高速撞击实验研究.     

水下接触爆炸下高聚物层对钢筋混凝土板的防护效果

为研究多孔材料高聚物对水下混凝土结构的抗爆防护性能，对含高聚物防护层的钢筋混凝土板开展了水下爆炸实验，并设置了对照组。利用AUTODYN有限元程序建立了含高聚物防护层的钢筋混凝土板水下爆炸全耦合模型，并通过数值模拟结果与实验的对比，验证了所建模型的可靠性。在此基础上，通过数值模拟，进一步分析了前置钢板对高聚物层防护性能的提升效果。以钢筋混凝土板跨中残余位移为指标，参数化分析了起爆药量和复合结构层厚比对高聚物层水下防护效果的影响规律。结果表明：水下爆炸下，高聚物防护层能够有效降低混凝土结构的毁伤程度；在高聚物层外侧布置钢质薄板，可以更好地发挥高聚物层的吸能效果，对钢筋混凝土板起到更好的防护效果，且当高聚物层与前置钢板层厚度比为20时，防护效果最佳。     

An analysis of the delamination of an environmental protection coating under cyclic heat loads

A computational analysis of a coated high temperature composite material under cyclic heat flux loading is conducted. The material system considered is a carbon–carbon (CC) composite laminate with a SiC environmental protection coating. Interface crack growth between the CC laminate and the SiC coating as well as the concurrent changes in the effective conductivity of the material system are modeled by the use of an irreversible thermo-mechanical cohesive zone model. In this model, the degradation of the cohesive strength due to cyclic loading is accounted for through a damage variable for which an evolution equation is given in terms of cohesive zone tractions and displacement jumps. Furthermore, interface failure progressively degrades the heat transfer across the interface. In the model the crack tip singularities for both stress analysis and heat transfer are removed. While the crack growth rates predicted by the simulation results can in principle be described by a Paris law approach, the strength of the proposed model is that the use of global loading parameters is in fact not necessary. Instead, material failure is described through local changes to the coupled mechanical and thermal fields.     

超高温、大热流、非线性气动热环境试验模拟及测试技术研究

超高温、大热流、非线性气动热环境试验模拟技术及相应的极端高温环境力学测试技术,是高超声速飞行器防热材料和结构安全设计中事关研制成败的关键技术。本文介绍了自行研制的可实现高至210℃/s的极快非线性升温速率、能够生成高达2MW/m2的瞬态非线性热流密度、实现高达1500℃超高温氧化热环境的石英灯红外辐射式气动热环境试验模拟系统。基于这一性能优越的超高温气动热环境试验模拟系统,发展了如下超高温热环境力学测试技术:1)提出对环境光变化不敏感的主动成像数字图像相关方法,实现了C/SiC复合材料1550℃高温变形的非接触、全场光学测量;2)发展了1400℃超高温热/力联合试验环境下SiC/SiC复合材料结构的断裂特性试验测试技术。本文还简要介绍了高速巡航导弹翼面结构900℃高温热振联合试验,950℃高温非线性热环境下的蜂窝结构隔热性试验等研究内容。本文所发展的超高温气动热环境试验模拟技术和高温热环境力学测试技术,对航天航空领域高超声速飞行器的研制具有重要的军事工程应用价值。     

基于拓扑优化的自发热体冷却用植入式导热路径设计方法

对于具有较低导热系数和较高生热率的热源材料(自发热体),通过优化植入内部的高导热材料的布局以降低内部温度,是实现自发热体冷却的重要措施.如何设计自发热体内部高导热材料的布局,是实现热源内部热量高效收集和温度控制的关键问题.本文研究建立植入式导热路径的拓扑优化设计方法,考虑高导热材料的植入对于热源分布的影响,以实现自发热体冷却的内置导热路径最优设计.基于固体各向同性材料惩罚模型(solid isotropic material with penalization,SIMP)拓扑描述方法,以高导热材料的相对密度为导热路径描述参数,分别选择合适的热传导系数和生热率的插值模型以建立热传导系数和生热率与相对密度的关系,并以结构散热弱度最小为目标,建立了植入式导热路径设计的拓扑优化数学模型和求解方法.该优化模型能够反映高导热材料的布局对热源布局的影响.通过具体算例,给出了贴片式散热路径与植入式散热路径的拓扑优化结果.设计结构表明,两种优化模型获得的最优散热构型存在较大不同,并且考虑植入高导热材料对热源布局影响的设计结果散热性能优于贴片式散热路径的设计结果.数值算例验证了本文所提出方法的正确性和有效性.      

A new strategy for the numerical modeling of a weld pool

Welding processes involve high temperatures and metallurgical and mechanical consequences that must be controlled. For this purpose, numerical simulations have been developed to study the effects of the process on the final structure. During the welding process, the material undergoes thermal cycles that can generate different physical phenomena, like phase changes, microstructure changes and residual stresses and distortions. But the accurate simulation of transient temperature distributions in the part needs to carefully take account of the fluid flow in the weld pool. The aim of this paper is thus to propose a new approach for such a simulation taking account of surface tension effects (including both the “curvature effect” and the “Marangoni effect”), buoyancy forces and free surface motion.The proposed approach is validated by two numerical tests from the literature: a sloshing test and a plate subjected to a static heat source. Then, the effects of the fluid flow on temperature distributions are discussed in a hybrid laser/arc welding example.     

非线性热环境下高温合金蜂窝板隔热性能研究

金属蜂窝板结构在高温热环境下的隔热特性是高速飞行器热防护设计的重要参数. 使用自行研制的高速飞行器瞬态气动热试验模拟系统, 对高温合金蜂窝平板结构在高达800℃的非线性热环境下的隔热性能进行实验研究, 获得了蜂窝板结构的瞬态和稳态传热特性以及在多种不同温度下金蜂窝平板结构隔热效果的实验数据. 在考虑结构内部蜂窝芯壁面间辐射、金属结构的传热以及蜂窝腔内空气传热的多重热交换条件下, 采用三维有限元计算方法对蜂窝板的隔热特性进行了数值模拟, 计算结果和试验结果的吻合性良好, 验证了数值模拟方法的可信性和有效性, 并为数值模拟方法能够在一定程度上较好地替代价格昂贵的气动热模拟试验打下了基础. 讨论了在复杂非线性高温环境下金属蜂窝板隔热效率的变化, 加热面温度的升降速度与隔热效率的关联性以及金属蜂窝板表面发射率的选取等问题, 对高速飞行器金属蜂窝结构的热防护研究具有重要的参考价值.      

Thermo-mechanically coupled investigation of steady state rolling tires by numerical simulation and experiment

In this contribution, a numerical framework for the efficient thermo-mechanical analysis of fully 3D tire structures (axisymmetric geometry) in steady state motion is presented. The modular simulation approach consists of a sequentially coupled mechanical and thermal simulation module. In the mechanical module, the Arbitrary Lagrangian Eulerian (ALE) framework is used together with a 3D finite element model of the tire structure to represent its temperature-dependent viscoelastic behavior at steady state rolling and finite deformations. Physically computed heat source terms (energy dissipation from the material and friction in the tire–road contact zone) are used as input quantities for the thermal module. In the thermal module, a representative cross-sectional part of the tire is employed to evaluate the temperature evolution due to internal and external heat sources in a transient thermal simulation. Special emphasis is given to an adequate material test program to identify the model parameters. The parameter identification is discussed in detail. Numerical results for three different types of special performance tires at free rolling conditions are compared to experimental measurements from the test rig, focusing especially on rolling resistance and surface temperature distribution.     

Mixed convection from an upward facing horizontal flat plate: effect of conduction and radiation

Experiments have been conducted in a low speed horizontal wind tunnel to study the interaction of radiation and conduction on mixed convective heat transfer from an upward facing horizontal flat plate in air. Differential interferometer has been used to measure local convective heat fluxes. It has been observed that interaction between surface radiation and convection is significant for a low thermal conductivity plate material. On the basis of the previous and current studies, it can be stated that the multi-mode interaction problem is an outcome of the nature of convective boundary layer. The interaction between different modes of heat transfer would remain similar irrespective of the nature of convection (free/mixed or forced).     

磁头/磁盘滑动接触下磁盘温度及热退磁临界条件的研究

采用二维轴对称有限元模型计算磁头/磁盘滑动接触下,铝质磁盘的稳态温度和热应力场以及热退磁临界条件.结果表明:磁盘温度在极短时间内升至摩擦稳态值,然后缓慢线性升高到最终稳态值;经过充分热传导和热交换后磁盘的温度梯度较小,此时磁层内的热应力集中分布于磁盘固定端边缘附近;磁盘的稳态温度和热应力均随速度增大而增大,且载荷越大其值增大越快;热应力小于1.2 GPa时所对应的速度和载荷为安全工况;温升大于373 K时所对应的工况将导致磁盘退磁.