随着复合材料的迅速发展与在民航工业的广泛应用,其受火灾威胁的严重性愈来愈引起人们的关注。由于高温的影响,火灾会导致复合材料发生基体热解,以及结构强度的下降,因此会丧失部分甚至全部结构完整性,同时会释放热量、及有毒有害气体。本文主要研究高温环境下碳纤维环氧树脂复合材料的热响应规律,考虑了复合材料单侧加热过程中所发生的一系列物理化学变化,建立了复合材料三维热响应模型控制方程组,基于用户子程序UMATHT与USDFLD的二次开发,编写了复合材料热响应子程序,并建立了复合材料热响应有限元模型,通过对不同材料体系进行有限元建模分析,研究了多种复合材料随时间与空间变化的热响应规律。通过本文研究,可以提供针对复合材料的一种有效材料热损伤分析工具。本文主要内容如下:本文建立了考虑材料内部各向异性热传导、分解气体热对流以及材料热分解吸热的复合材料三维热响应控制方程组,包括:传热方程(能量守恒方程)、分解速率方程和连续性方程(质量守恒方程)。基于用户子程序UMATHT与USDFLD的二次开发,通过编写FORTRAN程序对变量进行定义和更新,得到了可以考虑材料内部厚度方向上的热解气体对流以及基体分解的复合材料热响应有限元模型。通过建立不同材料体系的有限元模型,实现了热解过程中材料内部不同位置处的热响应模拟分析。对碳纤维环氧树脂复合材料等多种复合材料体系的热响应规律进行分析,预报了单侧辐射热流作用下的温度、密度、碳化率以及碳化速率随时间和空间的变化规律,以及碳化率和碳化速率随温度的变化关系。对碳纤维环氧树脂复合材料等计算结果表明:加热初期,碳纤维环氧树脂复合材料厚度方向上不同深度位置的温度随着加热时间的增加逐渐升高。随着加热时间的增加,各个深度位置的温升速率减小;同一时刻下不同深度位置的材料密度不同,距离受热面越远,材料热解程度越低,材料密度越大。不同深度位置的材料在达到同一温度时材料碳化率不同,且距受热面越近,碳化率越低;而在达到同一碳化率时材料温度不同,且距受热面越远,温度越低。不同深度位置的材料达到碳化速率峰值时的温度不同,且距受热面越远,达到碳化速率峰值时的温度越低。对玻璃纤维酚醛复合材料等材料体系的计算结果表明:加热初期,材料厚度方向靠近受热面区域的材料首先达到临界热解温度,并迅速发生树脂热解反应。随着加热时间的增加,热解区域沿厚度方向逐渐向材料背部推移,受热面的碳化程度逐渐增加,材料厚度方向不同深度位置均发生了不同程度的碳化。当加热结束时,材料厚度方向上根据材料热解程度可分为碳化层、热解区以及原始材料区。