[发明专利]一种碳/碳复合材料机械剥蚀速率的确定方法

权利要求书

1.一种碳/碳复合材料机械剥蚀速率的确定方法，其特征在于：包括下列步骤：

(1)使用纤维烧蚀典型外形结合流场参数得到纤维受力分析的结果；

(2)使用纤维受力分析结果，结合纤维强度及断裂准则得到纤维的临界破坏高度；

(3)结合纤维形貌的演化规律分析纤维的剥蚀频率；

(4)使用纤维临界破坏高度和剥蚀频率实现对单根纤维体积剥蚀率的计算；

(5)根据上述单根纤维体积剥蚀率，计算单根纤维剥蚀因子；

(6)利用单根纤维剥蚀因子结合材料中纤维体积分数计算材料的剥蚀因子；

所述的纤维受力分析步骤如下：

(1)建立稳态烧蚀时，纤维烧蚀典型外形的受力分析模型；

(2)对上述受力分析模型中的表面压力差简化为作用点位于纤维高度90％处的集中力；

(3)低压状态即小于等于0.5Mpa采用DSMC方法计算纤维表面压力积分得到集中力大小，高压情况即大于0.5Mpa，假设纤维受力大小F与来流压力P成正比即F＝ηP，由低压数据线性外插得到；η为单位纤维半径和单位压强下集中力的大小，与来流压力及纤维半径R_f相关；高压情况下，纤维直径为7e-6m时，取F≈1.28849385×10^-10P；

单根纤维体积剥蚀率的计算由细观烧蚀方法得到纤维露出高度变化及其到达断裂临界高度的时间，计算断裂临界高度下的纤维剥蚀体积，进而得到单根纤维的体积剥蚀速率；

将纤维剥蚀后形状简化为顶部半径为R₁底部半径为R₂锥台，使用下式计算其断裂临界高度下的纤维剥蚀体积V_e：

R₁≈max(0,R_f-V_fk_fC₀t_tr)

R₂≈(R_f+R₁)/2＝R_f-V_fk_fC₀t_tr/2

(4)式中，R_f为纤维半径，V_f为纤维体积分数，k_f为碳纤维的反应性常数，C₀为外界面反应气体的摩尔浓度，t_tr为纤维达到临界破坏高度的时间。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于纤维的临界破坏高度确定步骤如下：

将纤维烧蚀中间过程形貌简化为变截面悬臂梁，在自由端受集中载荷F；根据工程力学理论分析得到纤维内部应力，根据第一强度准则得到纤维断裂临界高度。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：简化的变截面悬臂梁纵剖面外轮廓线为椭圆线，纤维顶点为椭圆线长轴顶点。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：纤维的临界破坏高度h_f,cr公式为

式中，F为纤维受力大小，R_f为纤维半径，σ_cr为纤维单向拉伸强度，h_f,max为纤维稳态烧蚀高度。