摘 要

本文首先利用有限元分析软件ANSYS单元生死功能在理想条件下对碳/碳复合材料板的烧蚀行为进行了数值模拟，实现了边界的移动，形成了模拟烧蚀温度场的基本方法。然后模拟了实际工程中导弹头锥的烧蚀温度场，计算了线烧蚀率，并得到了导弹头锥的烧蚀形貌，对实际工程具有指导意义。

通过对导弹头锥在高温对流换热边界条件下温度场的模拟，更加明确了碳/碳复合材料通过烧蚀作用对高速飞行导弹的热防护作用。

本文特色：通过单元生死法实现了含移动烧蚀边界的的导弹头锥的有限元模拟分析。主要介绍了对头锥模型进行温度场数值模拟的方法，利用有限元分析软件ANSYS，在考虑材料物性参数随温度变化的情况下，实现了烧蚀边界移动，得到了线烧蚀率。

关键词：碳/碳复合材料；单元生死法；移动边界；瞬态温度场；烧蚀

Abstract

In this paper, we use the finite element analysis software ANSYS, to make the numerical modeling of a board is made of C/C composite, and realize the moving of boundary, and introduce the basic method that simulate temperature field. Then we simulate the temperature filed of guided missile’s nose cone and calculate the liner ablation rate, and get the nose cone’s ablating morphology of nose cone, in the reality project background. The result is significate to the reality project.

Through the simulating of the nose cone’s temperature field under the boundary of heat convection, we get that the C/C composite have the thermal protection properties to flying guided missile by ablation.

The feature of this paper are that we use the nose cone as the sample, apply the heat convection as load ,by means of the birth and death element method realize the moving of boundary of ablation .In this paper ,we mainly introduce the method of numerical modeling of the nose cone’s temperature field to realize moving of boundary, and consider the metabolic physical property parameter change by temperature, and get the liner ablation rate, by using the finite element analysis software ANSYS.

Keyword: C/C composite; element birth and death; moving boundary; transient temperature field; ablation

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1碳/碳复合材料的发展和应用 1

1.2 ANSYS温度场数值模拟 2

1.3国内外研究现状 3

1.4本文研究的目的和内容 5

第2章 理论基础 6

2.1利用有限元进行求解温度场的理论基础 6

2.2 ANSYS单元生死法基本原理 8

第3章 移动边界下瞬态温度场的数值模拟 9

3.1有限元模型：几何模型、物性参数、边界条件及有限元网格划分 9

3.2数值模拟 9

3.2.1移动边界的实现 9

3.2.2 移动边界下温度场的模拟 10

第4章 头锥烧蚀过程的数值模拟 13

4.1 有限元模型 13

4.1.1 几何模型及物性参数 13

4.1.2烧蚀层网格处理 14

4.1.3 边界条件简化 15

4.2 数值模拟 15

4.2.1 烧蚀温度场的数值模拟 15

4.2.2 烧蚀率的计算 19

4.2.3 结果分析 19

第5章 结论与展望 21

5.1结论 21

5.2展望 21

参考文献 22

致谢 23

第1章 绪论

1.1 碳/碳复合材料的发展和应用

碳/碳复合材料（C-C Composite or Carbon-Carbon Composite）是碳纤维及其织物增强的碳基体复合材料。具有低密度(lt;2.0g/cm3)、高强度、高比模量、高导热性、低膨胀系数、摩擦性能好，以及抗热冲击性能好、尺寸稳定性高等优点，是如今在1650℃以上应用的少数备选材料，最高理论温度更高达2600℃，因此被认为是最有发展前途的高温材料之一。它可用于导弹、火箭喷管、航天飞机等先进飞行器机体结构、发动机高温构件、飞机和汽车等的刹车片。此外，它还可以用于文娱和体育用品及一般工业中。

自1958年碳/碳复合材料问世以来，已经经历了将近六十年的发展历程。碳/碳复合材料首先应用在军事领域的导弹头锥上，后来应用于航天飞机的机翼前端，再后来应用于航天飞机的发动机上面。碳/碳复合材料一直在高温热防护结构材料中扮演重要角色。

在碳/碳复合材料广泛应用于军事、航空航天领域之前，最早导弹头锥所用的热防护材料是金属材料铜，因为金属铜比热大、热熔吸热量大，这种方法被称作热沉式热防护。然而，与复合材料相比，密度大，吸热量少是金属铜最大的缺点，这也成为当时制约远程高速导弹热防护结构发展的重用因素。经过大量努力，科研人员通过使用耐烧蚀材料改进了高速飞行器的热防护系统。在目前的军事、航空航天领域，烧蚀式热防护系统是应用得最多的。烧蚀式热防护系统是通过耐烧蚀材料的蒸发、融化、分解和升华的同时吸收大量热量，这样就对飞行器的主要结构起到了保护作用。现如今，世界各国对高速飞行器的性能要求越来越高，这使得飞行器的工作环境也越来越恶劣，对热防护系统的要求也越来越高，在导弹头锥的第二代热防护中，各种工艺的碳基的耐烧蚀复合材料逐渐取代了硅基耐烧蚀复合材料。

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。因此在实际工程应用领域对防热复合材料烧蚀行为进行研究具有非常重要的价值^[1]。