Исследование теплофизических свойств углерод-углеродных композиционных материалов в условиях высоких температур тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Московский ордена.Ленина, ордена Октябрьской Революции и

ордена Трудового Красного Знамени Государственный технический университет имени Н.З.Баумана

На правах рукописи УДК 532.24

Червяков Валентин Витальевич

исследование тепложзических свойств углерод-углеродных

кошаэиционньк материалов в условиях высших температур

01.04.14 - Теплофизика и молекулярная физика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1993

Работа выполнена б Московском ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции 'и ордена Трудового Красного Знамени

Государственном техническом университете имени Н.Э.Баумана *

Научный руководитель: доктор технических наук профессор ь.Б. Шишое

Официальные оппоненты: доктор технических наук профессор В.Н. Елисеев

кандидат технических нау;* доцент O.A. Данилов

Ведущая организация: ЦНИИСМ (Хотьково Моск. обл.)■

Защита диссертации состоится '{£" ^ 1993 г. £ Ц час. на заседании специализированного Совета К.053.15.08 в Московском Государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана по адресу: 107005, г. Москва, Лефортовская наб., д,1 ф-т "Энергомашиностроение"

О диссертацией модно ознакомиться в библиотеке университета.

Ваш отзыв на автореферат в 2-х экз., заверенный печатью, просим выслать по адресу: 107005, г. Москва, 2-я Бауманская ул. 5, МГТУ им.Н.Э.Баумана, ученому секретарю специализированного.Совета К.053.15.08 ,

Автореферат разослан > X 1993 г.:

Ученый секретарь специализированного Совета

к.т.н., доцент ЧМФ^^Ю'Н- Катуков

Под{1. к печ/$ Заказ Объем t п.л. Тир. 100 экз

Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Современные композиционные материалы (КМ) успешно заменяют традиционные конструкционные материалы во многих изделиях современной техники, подвергающихся экстремальным воздействиям в процессе эксплуатации. Углерод-углеродные конпози--ционные материалы (УУКМ) могут применяться в условиях температур, близких к предельно допустимым для существования твердой-фазы обычных конструкционных материалов. Развитие ряда новых перспективных технологий во многом обусловлено возможностью создания материалов, работоспособных при температурах до 2500...3000 К/.

В процессе разработки многих изделий для расчета теплового состояния требуется оперативная и достоверная информация о теплофизических свойствах (ТФС) конструкционных материалов. Для УУКМ этот вопрос приобретает особую значимость, так как они являются материалами с регулируемыми, задаваемыми свойствами -путем применения различных схем армирования и локальных усилений* армирования возможна оптимизация конструкции для работы при. заданном распределении тепловых и механических нагрузок.

Таким образом,. задача получения информации о ТФС УТКИ в области высоких температур является важной и актуальной задачей для современного уровня развития техники. Разработка' методик исследования свойств КМ имеет большое значение и в долгосрочном * плане, тая как существует устойчивая тенденция увеличения объема применения КН в изделиях современной техники и непрерывного. увеличения количества вновь создаваемых Кй.

Цель работы. Целью настоящей работы является разработка методики определения ТФС углеграфитовых материалов и УУКМ в области высоких температур методой вспышки. .

Научная новизна. Разработана математическая модель импульсного теплового нагружения образца со сложной внутренней структурой и впервые проведено численное исследование теплового состояния образца в процессе проведения эксперимента с детальным учетом пространственно-временного распределения энергии импульса лазерного излучения, неоднородности материала, нелинейности ТФС в

.1.

граничных условий и учетом контактного термического сопротивления на границе раздела фаз. Модель входит во впервые разработанную экспериментально апробированную методику комплексного определения пары ТФС по данным одного эксперимента с использованием одного пирометра.

Практическая ценность работы заключается в том, что разработанные методика и математическая модель могут применяться для определения ТФС как вновь создаваемых, так и существующих пространственно армированных композиционных материалов (ПА КМ), в том числе УУКМ. Численное моделирование теплового состояния позволяет оптимизировать, структуру армирования для данных условий нагружения. В отличие от ранее описанных методик и ноделей достигается более высокая точность определения ТФС ПА КМ и большая информативность математической модели. Возможно детальное изучение особенностей теплового состояния ПА КН.

Апробация работы. Основные результата и положения работы докладывались на Ш Межотраслевом семинаре по эрозионностойким и жаростойким композиционным материалам (г. Калининград Моск.обл., 1990); Ш Всесоюзной школе - семинаре "Современные проблемы газодинамики и тепломассообнена и пути повышения эффективности энергетических установок" (Москва, 1991); Европейской научной метрологической конференции "150 лет ВНИИМ им. ДД. Менделеева" (Санкт-Петербург, 1992); Конференции "Теория приближений и задачи вычислительной математики" (Днепропетровск, 1993).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ, они использовались в 4 научных отчетах по госбюджетным темам.

Структура м объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, изложения основных результатов и списка литературы. По объему работа состоит из 102 страниц машиноцисногс текста, 46 рисунков, 9 таблиц, библиография насчитывает 10] наименование.

. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследуемого вопроса,

сформулированы задачи исследования и перечислены основные положения работа, выносимые автором на защиту.

Первая глава посвящена анализу состояния методического и экспериментального обеспечения исследований ТФС материалов в условиях высоких температур. Заключает главу постановка задачи исследования.

Среди методов исследования ТФС материалов в условиях высоких температур выделяется рядом преимуществ метод вспышки, который в настоящее время наиболее часто по сравнению с другими методами применяется для исследования ТФС различных материалов, в том числе УУКИ, в условиях высоких температур.

В методе вспышки лицевая торцевая поверхность образца, выполненного в виде небольшого диска, подвергается воздействию кратковременного импульса лучистой энергии (рис.1). В процессе эксперимента измеряется и записывается температура перегрева в одной или нескольких точках обратной поверхности образца дт®<т,ь), что служит исходными данными для определения искомых ТФС.

Для обработки результатов эксперимента необходимо разработать математическую модель импульсного теплового нагружения образца. Для моделирования теплового состояния ПА КМ могут применяться следующие варианты математических моделей:

1. Модель. эквивалентной гомогенизированной среды, эффективные свойства которой определяются при стационарных * условиях нагружения;

2. Модель, в которой каждая фаза гомогенизируется отдельно с • учетом взаимодействия на границе раздела фаз через члены, входящие в уравнения для каждой фазы;

3. Модель частичной гомогенизации о заменой. реальной структуры на одноосно армированную. Направление эквивалентной армировки совпадает с направлением главного теплового потока, а эквивалентная матрица получается гомогенизацией матрицы и волокон армирования остальных направлений;

4. Модель, детально учитывающая внутреннюю структуру материала образца.

Как показали Люк, Балажеас, модель вида 1-3 может

удовлетворительно описывать тепловое состояние образца из ПА КМ, только если образец "толстый" (то есть в толщину образца •укладывается 4-5 периодов структуры армирования), что часто недостижимо но технологический причинам.

В работах группы отечественных исследователей Микова, Гончарова и др. развивается подход к исследовании теплового состояния ПА ЕМ на основе двухтемпературной . теории теплопроводности (подели вида 2 и 3). В рамках этого подхода в материале выделяется представительный элементарный объем, содержащий один армирующий стержень и матрицу. Записываются осредненные уравнения теплопроводности для каждого и- компонентов и уравнение Генри, связывающее осреднений тепловой поток между компонентами в их средними температурами. Экспериментальная апробация этой модели показала, что погрешность определения температуры составляет ±'2 %.

Численные методы решения в принципе позволяют подробно описать расчетную область о детальным учетом неоднородностей КМ и сложными нелинейными граничными условиями для применения модели вида 4. Однако в случае использования обычных вариантов метода конечных элементов (МКЭ) или метода конечных разностей для достижения приемлемой точности решения требуется использование очень подробных сеток с огромным количеством узлов - прежде всего из-за больших градиентов температуры ь процессе поглощения энергии импульса лазерного излучения. Необходимость согласования шагов пространственной и временной дискретизации ведет к большому времени расчета.

Опубликовано большое количество работ по экспериментальному исследованию ТФС ПА КМ методом вспышки. Для интерпретации полученных результатов использовались модели вида 1-3. Помимо определения эффективных ТФС гомогенизированного эквивалентного материала были выполнены и работы по определению эффективных ТФС волокон армирования в условиях включения в КН.

Экспериментально апробированные методики предполагают необходимость работа о серией образцов различной толщины, а в случае исследования эффективных ТФС волокон армирования в 4

условиях включения в КМ требуется серия образцов с различным объемным содержанием волокон ариировки. Упрощенный учет граничных условий ведет к невысокой точности определения ТФС - порядка 7...12 % и невозможности детального исследования теплового состояния ПА КН в условиях импульсного теплового нагружения..

На основании изучения и анализа литературных источников можно сделать вывод о том, что на сегодняшний день отсутствуют математические модели, детально учитывающие как сложную внутреннюю структуру ПА КМ, так и условия его теплового нагружения.

Таким образом, задачами настоящего исследования являются:

1. Разработка математической модели импульсного теплового нагружения осесимметрячного образца с учетом неоднородности материала, неравномерности пространственно-временного распределения энергии импульса, нелинейности ТФХ и нелинейных ^пловнх потерь на излучение с поверхности образца.

2. Разработка математической модели импульсного теплового' нагружения пространственно армированного образца с учетом неоднородности материала, неравномерности пространственно -временного распределения энергии импульса, нелинейности ТФХ, нелинейных тепловых потерь на излучение с поверхности образца и термического контактного сопротивления на границе раздела фаз.

3. Разработка методики комплексного восстановления ТФС по ' данным одного эксперимента с использованием вышеупомянутых математических моделей.

4. Создание установки для проведения исследований. Система измерения и записи температуры поверхности образца должна обеспечивать достаточное быстродействие и малый диаметр пятна съема для возможности определения температуры на срезе волокна армировки.

Вторая глава содержит описание разработки математической модели импульсного теплового нагружения цилиндрического неоднородного образца. Модель разработана в двух вариэлтах - для случая ооесиммегричного образца и для ПА КМ. Проведено численное исследование особенностей теплового состояния осесимметричного

образца в образца ПА КМ, в тон числе с учетом термического контактного сопротивления на границе раздела фаз. Разработана следующая математическая модель: Рассмотрим дифференциальное уравнение теплопроводности в дивергентной форме для глобальной декартовой системы координат

рС — + div q * s, (1)

<77

где ч - вектор плотности теплового потока;

q = -iU grad Т. (2)

Областью определения для (í) является (рис. 1)

s « 10, L] i X1 ♦ у2 < в1. (3)

В общем случае плотность, теплоемкость, теплопроводность и источник являются функциями температуры и координат. Начальные и граничные условия для (1):

Т { 0 , X , у , 7. ) « Т„,

" Чяэ*(т) + члаэ(т,г)' « » о, х*+ у2 < R11

q.s - q„„(T), Z ■> L, хг+ у2 s r\ (4)

q,n * qHM(T), O < z < L, X1* Í2 « R11

где ^дСг) » »*<т4 - То) - плотность потока излучения о

поверхности образца;

ЯМ(Г,Г) ш

q,H(T,r|¡ г «|х1+у*; о < г < ru;

- плотность < т; теплового

потока, вызванного поглощением лазерного излучения, Вт/и*. Пространственно-временное распределения анергии импульса лазерного излучения "»д»»(т,г) экспериментально получено Поляковым, Юшгишш (рис. 2).

Для решения задачи Ц...4) применялись программные комплексы (ПК) га4-ст_т и Згш-су_т, разработаные АЛ. Скибиным и ВЛ. Юговым.

; ПК гам-су_т предназначен для для решения двумерного нестационарного нелинейного уравнения теплопроводности с анизотропными коэффициентами теплопроводности и нестационарными 6,

источниками в декартовой или цилиндрической системах координат. Для пространственной дискретизации расчетной области используются треугольные трехузловне конечные элемента. ПК является программной реализацией конечноэлементного метода контрольного . объема (МКЭ-КО). Выбор для решения НКЭ-КО позволяет получить высокую точность на грубых сетках при широком диапазоне величий шагов по времени.

На рис. 3 представлены результаты сравнения расчётной зависимости дт<т,ы для центра обратной поверхности образца после воздействия на лицевую поверхность импульса лазерного излучения. Как видно из рисунка, расчет на весьма грубой сетке имеет хорошее соответствие с аналитическим решением для одномерной модели, предложенной Паркером.

ПК Зспвм-ст_т, является реализацией гибридного метода решения: НКЭ-КО для плоскостей^ параллельных ху, и •онечноравностннй нетод контрольного объема (МКР-КО) для направления пространственной координаты г.

На рис. 4 представлены результаты сравнения расчетной зависимости ат(т,ь> для центра обратной поверхности ортотропного графитового образца после воздействия на лицевую поверхность импульса лазерного излучения. Расчет имеет хорошее соответствие.

Проведено численное исследование особенностей теплового состояния ортотропного осесимметричного образца и образцов из " ( УУКН, структуры армирования которых представлены на рис. 5 и б.

На рис. 7 приведено расчетное распределение температуры по ■ обратной поверхности образца. Отчетливо заметна роль продольных волокон армирования, интенсивно перекачивающих энергию импульса по толщине образца; хорошо прослеживается сглаживание неравномерности температурного поля с течением времени.

Помимо расчета двухфазной системы, показанной на рис. 5, было проведено численное исследование влияния термического контактного сопротивления на границе раздела фаз на тепловое состояние образца со структурой армирования ЗД. Для учета термического контактного сопротивления были введены дополнительные конечные элементы из материала, отличающегося по

7

свойствам от свойств волокна и матрицы, между волокнами армирования и матрицей. Численный эксперимент показал относительно слабое влияние термического . контактного сопротивления на тепловое состояние образца.

На рис. 8 и 9 представлены результаты сравнения расчетных и экспериментальных зависимостей дт<г,..> для центра обратной поверхности ортотропного графитового образца и образца из УУКМ с армированием 4Д-Л после воздействия на лицевую поверхность импульса лазерного излучения.

Третья глава посвящена разработке методики определения ТФС исследуемого материала по данным эксперимента. Сос.,ьной частью методики является разработанная математическая модель импульсного теплового нагружения цилиндрического неоднородного образца.

В данном случае искомыми величинами. являются параметры теплопереноса материала образца. Для ортотропного образца это теплопроводность вдоль оси образца хг и теплопроводность в радиальном направлении хг. В случае деухфазной ПАС практический интерес представляют либо эффективные значения параметров теплопереноса материала х£* и х?Ф либо эффективные значения параметров теплопереноса волокон армирования, исследуемых в условиях включения в КМ, ^ н х?.

Задачу восстановления параметров теплопереноса по доступным теплотехническим измерениям можно свести к задаче оптимизации в пространстве нескольких параметров. В диапазоне температуры перегрева можно принять искомые величины постоянными (рис, 8), и тогда задача восстановления параметров теплопереноса сводится к задаче оптимизации в пространстве двух параметров.

Определение искомого набора (х».х2) соответствует минимизации невязки, характеризующей уклонение температуры перегрева в некоторой области обратной поверхности образца дт(т,ь), рассчитанной для некоторого набора (х,,хд от экспериментально полученной для этой же области зависимости дт*(»,ь). В качестве точки позиционирования пятна визирования пирометра был выбран центр обратной поверхности образца; при

малых диаметрах пятна визирования пирометра за среднеинтегральну» температуру в пятне можно принять температуру в его центрально? точке.

В качестве меры уклонения - целевой функции выбран« среднеквадратичная невязка

где N - количество сравниваемых пар значений дт<т„,и и уг?(тп,и, соответствующих одним и тел же т„ « ю, тьл.

При этом предполагается неуправляемый характер погрешностей определения дт3{т,м и нестрогое подобие кривых дтэи,и и

ДТIг,Ь),

Для выбора метода решения на сетке значений 9*9 были просчитаны величины целевой функции Рек (-5) и построена поверхность отклика для задачи импульсного тестового нагружения ортотропного образца. При этом величины и Ч изменялись от 01 до 100; ь качестве дтэ<т,ы была принята расчетная кривая изменения температуры в центре обратной поверхности образца. Поверхность оклика (рис. 10) имеет ярко выраженный овражный характер с наличием локальных минимумов как на стенках оврага, так и в окрестностях глобального нининуиа.

Для решения поставленной задачи сптимизащш был выбран модифицированный ыногосеточнын метод подбора, программной реализацией которого является ПК ори.

При решении модельной задачи, когда в в качестве дт'(т,1Л была принята расчетная кривая изменения температуры в центре обратной поверхности образца, томность восстановления Ч в Ч для ' ортотропного графита составила ±0.21 % и ±1.18 % соответственно.

Исследована устойчивость работы алгоритма восстановлены а, й в границах реально ожидаемых величин предельных относительных погрешностей входных данных.

Четвертая глава содержит описание экспериментальной

установки, методики проведения эксперимента и обработки спытннх

Э

лаваых.

Общая схема установки приведена на рис. 11. Среда в камере -вакуум; рабочий диапазон тенперактур 1500...1900 К.

Для возможности измерения температуры поверхности среза зриировки ПА КМ диаметр пятна визирования пирометра допускает возможность перенастройки в диапазоне 0.3...8 им.

В главе приводится также анализ погрешностей г прения.

Пятая глава содержит результаты экспериментального исследования ТФС углеграфитовых материалов и УУКМ и их анализ.

Для отработки экспериментальной установи! и методики определения ТФС углеродных материалов в качестве тестовых были использованы образцы из анизотропного графита НПГ-8. Образцы вырезались из заготовок таким образом, чтобы геометрическая ось цилиндра совпадала с направлением главной оси теплопроводности материала, а в перпендикулярной ей плоскости теплопроводность на зависит от ориентации, так как материал является ортотропнни.

. Эксперимент проводился в диапазоне температур т0= 1500... 1900 К через каждые 50 К. Пятно визирования пирометра на поверхности образца имело диаметр 0,7 мм и позиционировалось в центре обратной поверхности образца.

Экспериментально полученные зависимости дтэ(т в предположении случайного характера погрешностей определения лт для получения рабочей кривой лтэ(т,и обрабатывались методом наименьших квадратов.

Экспериментально определенные значения и Ч для тестовых образцов отличаются от справочных на ±321% и ±4.3% соответственно.

При определении ТФС УУКМ типа УУ1 и УУ2 они принимались за однородные ортотропные материалы.

__ Экспериментально определенные значения и отличаются от справочных на ±351% и ±4.3% для материала УУ1 и ±3.35% и ±4.32% для материала 772 соответственно.

Образцы из материала с армированием вида 4Д-Л вырезались из заготовок таким образом, чтобы геометрическая ось цилиндра 10

совпадала с направлением армирования вдоль оси г, а в перпендикулярной ей плоскости располагались остальные три направления армирования.

ОСНОВНОЕ ВЫВОДЫ

1. Впервые разработана математическая модель для численного исследования теплового состояния осесимметричного цилиндрического образца при импульсном тепловом нагружении с учетом неоднородности материала, неравномерности пространственно -временного распределения . энергии импульса, нелинейности ТФХ и нелинейных тепловых потерь с поверхности образца за .счет излучения.

2. Впервые разработана математическая модель для численного исследования теплового состояния неоднородного пространственно армированного образца при импульсном тепловом наГружении с учетом неравномерности пространственно-временного распределения энергии импульса, нелинейности ТФХ и нелинейных тепловых потерь с поверхности образца за счет изл}*чения, сложной внутренней структуры образца и термического контактного сопротивления на границе волокно-матрица,

3. Разработана и протестирована методика поиска глобального минимума поверхности отклика сложного рельефа для решения задачи параметрической оптимизации в пространстве двух параметров.

4. Впервые разработана методика комплексного определения пары теплофизических свойств, принятых постоянными в диапазоне температур перегрева образца, по данным одного эксперимента с одного пирометра. Образец может быть осесимнетричным либо неоднородный общего вида в т.ч. ПА КМ.

5. Создана, отлажена и протестирована экспериментальная установка для исследования твердых материалов, в том числе пространственно армированных УУКН, в условиях высоких температур.

6. Методика комплексного определения парк теплофазичесыга: свойств апробирована на орготроаинх образцах и показала сбое работоспособность в условиях высоких температур.

7. Экспериментальные данные по распределению температуры для неоднородного пространственно армированного образца из УУКМ имеют хорошее соответствие с рассчитанными но разработанной математической модели.

Основные результаты диссертации отражены в работах:

1. Александров AI., Гавриленко ИЛ., Червяков В.В. Определение теплового состояния анизотропного углерод-углеродного композиционного материала // Эрозионностойкие и жаростойкие композиционные материалы: Тезисы докладов ш-го межотраслевого семинара. -Калининград Шоск. обл.), 1990. -С. 26 -27.

2. Гавриленко ИЛ., Червяков В£. Исследование теплофизических свойств композиционных материалов при высоких температурах // Современные проблемы газодинамики и тепломассообмена и пути повышения эффективности энергетических установок: Тезисы докладов VIII Всесоюзной школы - семинара. -М. -1991. -С. 31.

3. Shlhov К. V., Gavrilenko Ii., Cherviakov V.V. Anisotropic materials high temperature thermophysical properties c. jplex determination method // 150th anniversary of the DJ^endeleyev Institute for Metrology: Abstracts of the European Scientific Metrological Conference. -St.Petersburg, 1992. -P. 124-126.

4. Математическое моделирование трехмерных температурных полей в пространственно армированных композиционных материалах

/ ЕЛ. Шипов, ВЛ. Югов, АЛ.. Скибин, В Л. Червяков К Теория приближений и задачи вычислительной математики: Тезисы докладов конференции. -Днепропетровск, 1993. - С. 31-32.

б. Иишов Е.В., Червяков В.В. Методика определения теплофизичееких характеристик композиционного материала в условиях высоких температур // Теория приближений и задачи вычислительной математики: Тезисы докладов конференции. -Днепропетровск, 1993. - с. 28-30.

i

Pite. 1. Схема облучения образца

□ . 4 -FEM_CVJT 0 -3DfEM_CV-T

[ о ЧИСПЯЯНО* р«Щ«ЯМ СЯТКА 11x6 А чжолеккш рашажие омиа 16x11 ф чяелважо* ршим е«тк* 14вхв - и*лятжч*ско« решение

......О.'з........0.4.......Ó V ''

Bpeui о

Рис. 3. Решение одномерной тестовой задачи

Рис.2. Распределение энергии лазерного импульса

0.4 Вр«к4 с

Рис. 4. Решение осесимме-тричной задачи

Рис.5. Структура армирования.

1Л-Л

Í3

а) б) в)

Рис. 7. Тепловое состояние обратной поверхности образца с армированием ЗД для моментов времени X 0.045 (а), 0.095 (б), 0.29 (в) сек (расчет)

Вроп С

Рис. 8. Тепловое состояние ортотропного образца

0.2 0.4

Врвка С

Рис. 9. Тепловое состояние образца из УУКМ с армированием 4Д-Л

©5

У

.4

■т

8 10

9

и

V 1 V

12

"1.

© @

13

15

14

а

Рис.И. Схема экспериментальной установки: 1 - образец; 2 - корпус нагревательной камеры; 3 - нагреватели; 4 - термоэлектрический преобразователь; 5 - полуотражающее зеркало; б - измеритель энергии импульса; 7 - лазер; 8 - система управления режимом нагрева; 9 - система контроля вакуума; 10 - микропроцессорный регулятор ПР0ТАР-100; И - паромасляный насос; 12 - форвакуумные насосы; 13 - система автоматизации; 14 - компьютер; 15 - пирометр