基于多尺度方法的熱防護系統(tǒng)性能分析.pdf

1、本文重點針對陶瓷及金屬熱防護系統(tǒng)的傳熱及承力特性展開，熱防護系統(tǒng)用于飛行器表面，但其失效通常起始于纖維/纖維束（纖維尺度為微米），因此復(fù)合材料/結(jié)構(gòu)分析方法的一個重要特征就是多尺度。多尺度分析方法在復(fù)合材料性能分析、結(jié)構(gòu)計算中的應(yīng)用越來越廣泛，而數(shù)值手段也漸漸趨向于采用有限元方法。本文采用有限元方法，基于多尺度分析思路對熱防護系統(tǒng)的特性進行了分析。具體研究內(nèi)容如下：
　　1）形成了熱防護系統(tǒng)的多尺度分析流程，可按照細觀-宏觀-細觀

2、的思路開展多尺度分析。
　　2）對于陶瓷熱防護系統(tǒng)，首先進行有限元建模，建立了相應(yīng)的單胞模型，分析了網(wǎng)格密度對計算結(jié)果的影響，用以選擇合適的建模方式；其次，開展陶瓷熱防護系統(tǒng)的宏觀尺度分析，并同單胞的計算結(jié)果進行了對比；再次，進行陶瓷熱防護系統(tǒng)的細觀尺度分析，建立了三維、二維等不同的計算模型，獲得了纖維、基體中精細的應(yīng)力應(yīng)變分布。
　　3）對于金屬熱防護系統(tǒng)，其分析思路與陶瓷熱防護系統(tǒng)相同，獲得了纖維、基體中精細的應(yīng)力應(yīng)變分

3、布，但需要說明的是，與陶瓷熱防護系統(tǒng)不同，其溫度場的計算分析更為復(fù)雜，而這里僅僅考慮了熱傳導(dǎo)。
　　以上述研究內(nèi)容作為牽引，在細觀尺度上計算獲得了熱防護系統(tǒng)材料的彈性常數(shù)，并將其應(yīng)用于熱防護系統(tǒng)的性能分析，最終獲得了熱防護系統(tǒng)的傳熱及強度特性。通過本文的研究工作，可以得出如下結(jié)論：
　　1）多尺度分析方法在復(fù)合材料/結(jié)構(gòu)性能分析中體現(xiàn)出較大的優(yōu)勢，有限元方法依然是其實現(xiàn)的重要工具和手段。
　　2）采用單胞計算復(fù)合材料彈

4、性常數(shù)是一種比較好的工程途徑，既可以保證良好的計算精度，又可以彌補試驗測試中的不足（測量誤差較大或無法測量）。
　　3）陶瓷及金屬熱防護系統(tǒng)兩種不同的結(jié)構(gòu)都能夠獲得良好的隔熱效果，在本文的計算條件下，金屬熱防護系統(tǒng)的性能略優(yōu)于陶瓷熱防護系統(tǒng)。
　　綜上所述，本文采用宏-細觀多尺度分析方法對熱防護系統(tǒng)展開研究，在細觀尺度上（單胞），對復(fù)合材料彈性性能常數(shù)進行計算，了解材料性能，并為宏觀尺度（結(jié)構(gòu)）上的計算提供了參數(shù)；在宏觀尺度