复合材料点阵夹芯结构热载荷下的热力性能分析与优化

论文摘要

点阵多孔材料同时具备轻质,多功能和可设计等特点,在航空航天领域具有重要的应用前景。但碳纤维复合材料结构固有热导率很低,对这种材料的散热和强化传热等性能分析与研究以及以其为基础的散热结构优化设计,具有重要理论意义和应用价值。本文的研究思想是通过在结构中埋设热管来扩大散热面积以降低结构温度。文中我们首先根据热管的工作原理,提出了热管等效热导率的计算方法,同时还推导了层合板的等效热膨胀系数,等效弹性模量,为有限元模拟提供有效的数据参数。在第三章中,提出了一种评估层合板散热效率的理论模式,为层合板散热优化设计提供理论指导。本文基于ANSYS有限元软件来完成数值模拟分析,分析层合板埋设热管和未埋设热管两种情况下铺层角度对温度场分布的影响。在第四章中,分析了直柱点阵夹芯结构和金字塔夹芯结构两种点阵结构在不同相对密度下的温度场,给出了埋设热管后对整体结构温度场的影响。最后,还初步分析了结构在热载荷作用下热应力的分布规律,可以作为以后复合材料结构热变形问题分析的基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 多孔材料的介绍
• 1.2.2 多孔材料传统传热特性表征与优化
• 1.2.3 结构强化热传导的研究
• 1.3 研究内容及方法
• 第2章 基本理论分析
• 2.1 导热问题的有限元理论
• 2.1.1 热分析控制方程
• 2.1.2 稳态传热分析
• 2.1.3 瞬态传热分析
• 2.1.4 传热问题的单值性条件
• 2.2 热管的简介
• 2.2.1 课题研究的热管工作原理
• 2.2.2 热管中热传导的等效分析
• 2.3 由复合材料的热层合理论推导层合板等效热导率
• 2.4 热应力理论分析
• 2.4.1 热应力介绍及公式推导
• 2.4.2 层合板热应力分析及等效热膨胀系数推导
• 2.4.3 层合板弹性模量等效处理
• 2.5 本章小结
• 第3章 层合板传热分析
• 3.1 层合板数值结果的实验验证
• 3.1.1 材料热物性的测量
• 3.1.2 层合板温度场测量
• 3.1.3 实验数据分析
• 3.1.4 层合板实验的有限元模拟比较
• 3.2 层合板加热管散热性能研究
• 3.2.1 层合板强化传热概念
• 3.2.2 层合板导热理论及导热效率分析
• 3.2.3 层合板布置热管散热性能比较
• 3.3 有限元模拟铺层角度对温度场分布的影响
• 3.3.1 无热管层合板的铺层方式
• 3.3.2 埋热管层合板的铺层方式
• 3.4 有限元模拟热管埋设方式对温度场分布的影响
• 3.4.1 层合板热管埋设间距
• 3.4.2 层合板热管拓扑埋设
• 3.5 本章小结
• 第4章 点阵夹芯结构内埋入热管的传热分析
• 4.1 直柱点阵夹芯结构数值结果的实验验证
• 4.1.1 结构的温度场测量
• 4.1.2 实验数据分析
• 4.1.3 结构温度场实验的有限元模拟比较
• 4.2 直柱点阵夹芯结构相对密度对温度场分布的影响
• 4.2.1 无热管直柱点阵夹芯结构
• 4.2.2 热管直柱点阵夹芯结构
• 4.3 金字塔点阵夹芯结构相对密度对温度场分布的影响
• 4.3.1 无热管金字塔点阵夹芯结构
• 4.3.2 热管金字塔点阵夹芯结构
• 4.4 点阵夹芯结构对热应力分析
• 4.4.1 直柱点阵夹芯结构热应力算例
• 4.4.2 金字塔点阵夹芯结构热应力算例
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文及其它成果
• 致谢