飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)熱力耦合分析與材料優(yōu)化設(shè)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(yán)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(hù)系統(tǒng)(Thermal ProtectionSystem，簡稱TPS)對其加以保護(hù)，所以對飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行研究具有非常重要的意義。根據(jù)防熱區(qū)域的不同，可以將空間飛行器的熱防護(hù)分為頭錐、機(jī)翼前緣等高溫區(qū)域的復(fù)合材料熱防護(hù)和機(jī)身大面積較高溫區(qū)域的結(jié)構(gòu)熱防護(hù)兩個方面。對于復(fù)合材料熱防護(hù)，選擇物性參數(shù)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(jìn)行研究，通過對材料組份混合律的優(yōu)化設(shè)計來控制材料的熱應(yīng)力水平和質(zhì)量。對于結(jié)構(gòu)熱防護(hù)，選擇優(yōu)點諸多的金屬熱防護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行熱力耦合分析，包括對其外部蓋面板結(jié)構(gòu)和支撐連接件的設(shè)計以及結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。
　　 對于功能梯度材料的優(yōu)化設(shè)計方面，采用無網(wǎng)格邊界元法對其熱應(yīng)力進(jìn)行數(shù)值計算，主要工作如

3、下：
　　 (1)、根據(jù)功能梯度材料物性參數(shù)與溫度的相關(guān)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(dǎo)問題的基礎(chǔ)上，通過引入體積分?jǐn)?shù)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(jìn)行修改，使熱傳導(dǎo)系數(shù)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(yīng)力的邊界元程序計算得到材料內(nèi)部的熱應(yīng)力。
　　 (2)、根據(jù)計算得到的熱應(yīng)力，選取最小化最大應(yīng)力強(qiáng)度比的優(yōu)

4、化準(zhǔn)則，得到最優(yōu)的體積分?jǐn)?shù)因子，從而確定材料的組份混合律，在此基礎(chǔ)上，計算得到不同體積分?jǐn)?shù)因子下整個功能梯度材料的密度。根據(jù)應(yīng)力強(qiáng)度比和材料密度兩個因素綜合選擇出最佳的體積分?jǐn)?shù)因子，從而實現(xiàn)對功能梯度材料的優(yōu)化。
　　 對于金屬熱防護(hù)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(jié)構(gòu)進(jìn)行選擇，從剛度、強(qiáng)度以及質(zhì)量的角度綜合比較了波紋結(jié)構(gòu)和蜂窩結(jié)構(gòu)，結(jié)果顯示：在相同的尺寸和邊界條件下，蜂窩板的剛度

5、、強(qiáng)度比波紋板大，且質(zhì)量更輕，所以選擇蜂窩結(jié)構(gòu)。
　　 (2)、對于蜂窩結(jié)構(gòu)，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(jié)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(qiáng)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(dāng)單個蜂窩邊長不斷增大時，整個蜂窩板的剛度、強(qiáng)度不斷降低，而防

6、熱隔熱性能在不斷提高，所以需要權(quán)衡隔熱和承載兩方面的性能進(jìn)行選擇。
　　 (3)、對于支撐連接件，選擇第四強(qiáng)度理論對部件的截面尺寸進(jìn)行設(shè)計，并設(shè)計了連接結(jié)構(gòu)中各部件的連接方式，從外到內(nèi)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(jié)構(gòu)因素的分析發(fā)現(xiàn)：在支撐管道與緊固螺釘之間設(shè)置墊圈結(jié)構(gòu)有助于減緩?fù)獠繜崃肯騼?nèi)傳遞的速度，在緊固螺釘與周圍部件之間設(shè)置一定的間隙，有利于減小其受熱膨脹對周圍部件產(chǎn)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(shè)計的金屬熱防護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行熱力耦合分析，結(jié)果顯示：所設(shè)計的金屬熱防護(hù)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(jié)構(gòu)采用了熱傳導(dǎo)率較高的金屬材料，而一般的陶瓷材料在強(qiáng)度上難以滿足要求，所以需要探尋在防熱隔熱和強(qiáng)度方面俱佳的材料。
　　 綜上，本文通過無網(wǎng)格邊界元法對功能梯度材料進(jìn)行熱力學(xué)分析并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)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(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的數(shù)值方