碳碳复合材料烧蚀温度场的数值模拟开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

碳碳防热复合材料具有优良的高温性能，在高温烧蚀环境下可以通过自身发生烧蚀带走大量热量，减少了热量向内部的传递，从而有效地保护了内部结构，起到热防护的作用。

碳碳复合材料能在高温下保持良好的机械性能已被广泛应用在各个领域比如返回大气层（运载工具热）保护系统，推进系统（火箭喷管）和实验性的托卡马克装置（一种受热和反应装置）反应堆（收集器和第一层墙体防护）。在这些应用中，碳/碳复合材料被氧化（返回大气装置），升华（返回大气和托卡马克装置），等离子腐蚀（托卡马克），和热-机械腐蚀（所有状况）等。因此在工程应用领域对防热复合材料烧蚀行为进行研究具有重要价值。

一个有效的热保护结构必须依靠对材料烧蚀行为的精确评估。目前由流体和等离子动力学模拟的碳碳复合材料的复杂行为并不完善，且这个模型的结果也不是完全精确的。随着计算硬件和软件的发展，建立更加精确和完善的模型成为可能，且精确描述材料行为的建模需求越来越大，尤其是表面粗糙被考虑进来。表面粗糙的发展导致了复杂的材料行为：有效的烧蚀速度不能被简单算法（它的各种成分烧蚀速率的平均来模拟）得到。对于重回大气的运载工具和推进器，因为在保护装置周围存在高速流动的气体，会引发机械侵蚀。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 研究目标

利用ansys软件，建立碳碳复合材料模型，采用自适应网格方法或单元生死法实现烧蚀边界的移动，并完成碳碳复合材料烧蚀温度场数值模拟过程。

2.2 研究内容

本论文的研究内容是利用ansys软件模拟碳碳复合材料在高温烧蚀环境下烧蚀行为，及建立瞬态热传导模型，得出对实际工程应用有指导意义的分析结果。本论文的关键在于用自适应网格方法或单元生死法对碳碳复合材料模型进行网格划分。

1) 学习有限单元法中关于热传导问题的基本原理，和自适应网格方法和单元生死法中单元特点和原理。

3. 研究计划与安排

第1-3周：查阅相关文献资料，明确研究内容，确立基本研究思路，完成文献翻译和开题报告；

第4-5周：学习瞬态热传导问题的有限元求解格式及数值算法；

第6-9周：通过算例，熟悉ansys软件中瞬态热传导问题的模拟分析方法；

4. 参考文献（12篇以上）

[1] lin w s. quasi-steady solutions for the ablation of charring materials[j]. international journal of heat and mass transfer,2007,50(5): 1196-1201.

[2] lachaud j, aspa y, vignoles g l. analytical modeling of the steady state ablation of a 3d c/c composite[j]. international journal of heat and mass transfer, 2008 ,51(9): 2614-2627.

[3]si’an chen,chanrui zhang,yudi zhang,dan zhao,haifeng zhang. mechanism of ablation of 3d c/zrc–sic composite under an oxyacetylene flame.2013,68:168-175.