539.3 Конечно-элементное моделирование термонапряжений в композитных термодеструктирующих конструкциях при аэродинамическом нагреве

Димитриенко Ю. И. (МГТУ им.Н.Э.Баумана), Коряков М. Н. (МГТУ им.Н.Э.Баумана), Юрин Ю. В. (МГТУ им.Н.Э.Баумана), Захаров А. А. (МГТУ им.Н.Э.Баумана)

СОПРЯЖЕННЫЕ ЗАДАЧИ, АЭРО-ТЕРМОМЕХАНИКА, ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОС, ТЕРМОДЕСТРУКЦИЯ, ТЕРМОМЕХАНИКА, КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ТЕПЛОВАЯ ДЕФОРМАЦИЯ, ПОРОВОЕ ДАВЛЕНИЕ, ТЕРМОНАПРЯЖЕНИЯ, МЕТОД КОНЕЧНОГО ЭЛЕМЕНТА


doi: 10.18698/2309-3684-2019-2-1534


Рассматривается сопряженная задача аэро-термо-механики теплонагруженных конструкций из термодеструктирующих полимерных композиционных материалов при воздействии интенсивного аэродинамического потока. Сформулирована математическая постановка сопряженной задачи и предложены алгоритмы численного решения этой задачи. Алгоритмы основаны на итерационном решении трех типов задач: аэрогазодинамики, внутреннего тепломассообмена и термомеханики конструкции летательного аппарата. Представлен пример численного решения задачи для модельного элемента конструкции летательного аппарата в виде затупленного конуса. Показано, что воздействие высоких температур аэродинамического нагрева конструкции приводит к термодеструкции полимерного композиционного материала, следствием которого является генерация большого количества газов в порах и термохмическая усадка, которые при определенных условиях могут приводить к преждевременному разрушению теплонагруженной композитной конструкции.


[1] Riccio A., Raimondo F., Sellitto A., Carandente V., Scigliano R., Tescione D. Optimum design of ablative thermal protection systems for atmospheric entry vehicle. Applied Thermal Engineering, 2017, no. 119, pp. 541–552.
[2] Lancelle D., Božić O. Simulation of an ablative thermal protection system for the hypersonic ascend of an electromagnetically launched payload carrier. Proceedings of 5th European Conference for Aeronautics and Space Sciences (EUCASS), 2013, 12 p.
[3] Eekelen T., Bouilly J.-M., Hudrisier S., Dupillier J.-M., Aspa Y. Design and numerical modelling of charring material ablators for re-entry applications. Proceedings of the Sixth European Workshop on Thermal Protection Systems and Hot Structures, University Stuttgart, Germany, 2009, European Space Agency – WPP319.
[4] Liu Z., Hao A., Zhang S., Dessureault Y.-S., Liang R. Lightweight carbon nanotube surface thermal shielding for carbon fiber/bismaleimide composites. Carbon, 2019, vol. 153, pp.320– 329. DOI: 10.1016/j.carbon.2019.07.018
[5] Димитриенко Ю.И. Механика композитных конструкций при высоких температурах. Москва, Физматлит, 2018, 448 с.
[6] Dimitrienko Yu.I. A structural thermomechanical model of textile composite materials at high temperatures. Composite science and technologies, 1999,
vol. 59, pp. 1041–1053.
[7] Dimitrienko Yu.I. Thermomechanical behaviour of composite materials and structures under high temperatures. Part 2. Structures. Composites. Part A:
Applied Science and Manufacturing, 1997, vol. 28A, рр. 463–471.
[8] Димитриенко Ю.И., Захаров А.А., Коряков М.Н., Сыздыков Е.К., Минин В.В. Численное решение сопряженной задачи гиперзвуковой аэродинамики и термомеханики термодеструктирующих конструкций. Инженерный журнал: наука и инновации. 2013, вып. 9 (21).
URL: http://engjournal.ru/catalog/mathmodel/aero/1114.html
[9] Димитриенко Ю.И., Захаров А.А., Коряков М.Н., Сыздыков Е.К. Моделирование сопряженных процессов аэрогазодинамики и теплообмена на поверхности теплозащиты перспективных гиперзвуковых летательных аппаратов. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2014, № 3, с. 23–34.
[10] Димитриенко Ю.И., Коряков М.Н., Захаров А.А., Строганов А.С. Численное моделирование сопряженных аэрогазодинамических и термодинамических процессов в композитных конструкциях высокоскоростных летательных аппаратов. Математическое моделирование и численные методы, 2014, № 3 (3), с. 3–24.
[11] Димитриенко Ю.И., Коряков М.Н., Захаров А.А. Разработка технологий численного моделирования сопряженных задач газовой динамики и термодинамики композитных конструкций перспективных высокоскоростных летательных аппаратов. Известия Самарского научного центра Российской академии наук, 2016, т. 18, № 2 (3), с. 891–895.
[12] Димитриенко Ю.И., Котенев В.П., Захаров А.А. Метод ленточных адаптивных сеток для численного моделирования в газовой динамике. Москва, Физматлит, 2011, 280 с.
[13] Краснов Н.Ф. Аэродинамика. Т.1. Основы теории. Аэродинамика профиля и крыла. Москва, Высшая школа, 1980, 496 с.
[14] Краснов Н.Ф. Аэродинамика. Т.2. Методы аэродинамического расчета. Москва, Высшая школа, 1980, 416 с.
[15] Димитриенко Ю.И. Механика сплошной среды. В 4 т. Т. 1. Тензорный анализ. Москва, Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011, 367 с.
[16] Anderson J.D. Hypersonic and High-Temperature Gas Dynamics. 2nd edition. American Institute of Aeronautics and Astronautics, Reston, Virginia, 2006, 232 p.
[17] Куликовский А.Г., Погорелов Н.В., Семенов А.Ю. Математические вопросы численного решения гиперболических систем уравнений. Москва, Физматлит, 2012, 656 с.
[18] Димитриенко Ю.И., Коряков М.Н., Захаров А.А., Сыздыков Е.К. Развитие метода ленточно-адаптивных сеток на основе схем TVD для решения задач газовой динамики. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2011, № 2, с. 87−97.
[19] Димитриенко Ю.И., Коряков М.Н., Захаров А.А. Применение метода RKDG для численного решения трехмерных уравнений газовой динамики на неструктурированных сетках. Математическое моделирование и численные методы, 2015, № 4, с. 75–91.


Димитриенко Ю.И., Коряков М.Н., Юрин Ю.В., Захаров А.А. Конечно-элементное моделирование термонапряжений в композитных термодеструктирующих конструкциях при аэродинамическом нагреве. Математическое моделирование и численные методы, 2019, № 2, с. 15–34.



Скачать статью

Количество скачиваний: 836