飛行器熱防護系統(tǒng)熱力耦合分析與材料優(yōu)化設計.pdf

1、空間飛行器再入大氣層時，由于與周圍氣體的高速摩擦，將受到嚴苛的外部環(huán)境的作用，包括高溫和氣動載荷的雙重影響，必須采用熱防護系統(tǒng)(Thermal ProtectionSystem，簡稱TPS)對其加以保護，所以對飛行器熱防護系統(tǒng)進行研究具有非常重要的意義。根據防熱區(qū)域的不同，可以將空間飛行器的熱防護分為頭錐、機翼前緣等高溫區(qū)域的復合材料熱防護和機身大面積較高溫區(qū)域的結構熱防護兩個方面。對于復合材料熱防護，選擇物性參數隨溫度和空間位置的變化

2、而變化的功能梯度材料(FunctionallyGraded Materials，簡稱FGMs)進行研究，通過對材料組份混合律的優(yōu)化設計來控制材料的熱應力水平和質量。對于結構熱防護，選擇優(yōu)點諸多的金屬熱防護系統(tǒng)進行熱力耦合分析，包括對其外部蓋面板結構和支撐連接件的設計以及結構因素對整個系統(tǒng)防熱隔熱性能的影響分析，以期得到滿足要求的防熱結構。
　　 對于功能梯度材料的優(yōu)化設計方面，采用無網格邊界元法對其熱應力進行數值計算，主要工作如

3、下：
　　 (1)、根據功能梯度材料物性參數與溫度的相關性，以及材料組份在空間上滿足連續(xù)變化的規(guī)律，在非線性材料穩(wěn)態(tài)熱傳導問題的基礎上，通過引入體積分數因子來控制材料的空間分布，對邊界積分方程中的區(qū)域積分項進行修改，使熱傳導系數隨著溫度和空間位置的變化而變化。然后整合到系統(tǒng)矩陣方程中迭代求解得到溫度分布。通過分析熱應力的邊界元程序計算得到材料內部的熱應力。
　　 (2)、根據計算得到的熱應力，選取最小化最大應力強度比的優(yōu)

4、化準則，得到最優(yōu)的體積分數因子，從而確定材料的組份混合律，在此基礎上，計算得到不同體積分數因子下整個功能梯度材料的密度。根據應力強度比和材料密度兩個因素綜合選擇出最佳的體積分數因子，從而實現對功能梯度材料的優(yōu)化。
　　 對于金屬熱防護系統(tǒng)的熱力耦合分析方面，主要做了以下工作：
　　 (1)、對外部蓋面板的結構進行選擇，從剛度、強度以及質量的角度綜合比較了波紋結構和蜂窩結構，結果顯示：在相同的尺寸和邊界條件下，蜂窩板的剛度

5、、強度比波紋板大，且質量更輕，所以選擇蜂窩結構。
　　 (2)、對于蜂窩結構，考慮單個蜂窩邊長對整個蜂窩板的影響，主要比較了兩種邊長的蜂窩組成的外部蓋板，結果顯示：在相同的邊界條件下，單個蜂窩邊長為6mm時，剛度與強度雖然比邊長為3mm時要小，但是能夠滿足要求，而由于傳熱截面積的減小，防熱隔熱性能比邊長為3mm時更優(yōu)，綜合考慮選擇單個蜂窩的邊長為6mm。從上可以看出，當單個蜂窩邊長不斷增大時，整個蜂窩板的剛度、強度不斷降低，而防

6、熱隔熱性能在不斷提高，所以需要權衡隔熱和承載兩方面的性能進行選擇。
　　 (3)、對于支撐連接件，選擇第四強度理論對部件的截面尺寸進行設計，并設計了連接結構中各部件的連接方式，從外到內依次為：外部管道蓋、支撐管道、墊圈、墊座以及緊固螺釘。通過對結構因素的分析發(fā)現：在支撐管道與緊固螺釘之間設置墊圈結構有助于減緩外部熱量向內傳遞的速度，在緊固螺釘與周圍部件之間設置一定的間隙，有利于減小其受熱膨脹對周圍部件產生的影響。
　　

7、(4)、采用有限元法并以有限元軟件ABAQUS為平臺，對設計的金屬熱防護系統(tǒng)進行熱力耦合分析，結果顯示：所設計的金屬熱防護系統(tǒng)在防熱隔熱方面還難以滿足要求，主要原因是支撐結構采用了熱傳導率較高的金屬材料，而一般的陶瓷材料在強度上難以滿足要求，所以需要探尋在防熱隔熱和強度方面俱佳的材料。
　　 綜上，本文通過無網格邊界元法對功能梯度材料進行熱力學分析并進行優(yōu)化設計，得到了一種可以對任意材料組合而成的功能梯度材料進行優(yōu)化設計的數值方