高超飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)概率分析方法研究.pdf

1、熱防護(hù)系統(tǒng)是高超聲速飛行器的最重要的系統(tǒng)之一，在飛行器氣動(dòng)加熱的高溫惡劣環(huán)境下保障飛行器內(nèi)部的溫度條件和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)完整性。在該系統(tǒng)的制造過程中，存在一定的不確定因素，會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)出的高超聲速熱防護(hù)系統(tǒng)零件在尺寸、材料性能等方面普遍存在差異，這種差異對(duì)熱防護(hù)系統(tǒng)的可靠性和整體性能會(huì)產(chǎn)生影響。為確定參數(shù)的不確定性對(duì)熱防護(hù)結(jié)構(gòu)可靠性和整體性能的影響程度，本文針對(duì)廣泛應(yīng)用于高超聲速飛行器上的剛性陶瓷瓦熱防護(hù)系統(tǒng)，進(jìn)行了相關(guān)概率分析研究。
　

2、　首先，本文建立了剛性陶瓷瓦熱防護(hù)系統(tǒng)的參數(shù)化模型，并在該模型的基礎(chǔ)上，對(duì)剛性陶瓷瓦熱防護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了高熱流密度傳熱狀態(tài)下的靈敏度分析，確定了各參數(shù)對(duì)熱防護(hù)結(jié)構(gòu)隔熱性能的影響程度和性質(zhì)，以便于在熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制造等工作中把握重點(diǎn)、降低成本、提高效率。
　　其次，本文結(jié)合有限元法和蒙特卡洛法，建立了系統(tǒng)概率熱分析模型。在充分考慮熱防護(hù)系統(tǒng)各層厚度以及比熱容、熱傳導(dǎo)系數(shù)和表面輻射率等材料屬性參數(shù)的不確定性的前提下，結(jié)合響應(yīng)面法等概率

3、分析方法，得到了輸出參數(shù)的概率分布特性，并對(duì)熱可靠性進(jìn)行了評(píng)估。在此基礎(chǔ)上，提出新的概率設(shè)計(jì)方法，在滿足可靠度的情況下設(shè)計(jì)出熱防護(hù)系統(tǒng)的最小厚度，對(duì)減小設(shè)計(jì)的保守性，合理確定陶瓷瓦厚度，減輕系統(tǒng)重量均具有指導(dǎo)意義。
　　最后，本文提出了經(jīng)過增維處理的精細(xì)時(shí)間積分（PTI）算法和Krylov子空間法用來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的基于時(shí)間差分的直接積分（DTI）方法來解決瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問題。通過運(yùn)用增維方法，瞬態(tài)熱傳導(dǎo)有限元求解方程被轉(zhuǎn)化為它的等效齊次形

4、式，由此避免了矩陣的求逆。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用精細(xì)時(shí)間積分算法和Krylov子空間法求解了齊次方程組，節(jié)省了計(jì)算時(shí)間，提高了計(jì)算精度，為大量概率樣本計(jì)算提供了可能。文中運(yùn)用典型剛性陶瓷瓦熱防護(hù)系統(tǒng)的算例來驗(yàn)證所提出算法的有效性，同時(shí)將其計(jì)算結(jié)果和商用軟件 ANSYS以及傳統(tǒng)直接積分法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較。數(shù)值結(jié)果顯示，相比較于傳統(tǒng)的直接積分法，增維精細(xì)積分算法要更穩(wěn)定，精度更高，且對(duì)時(shí)間步長不敏感，而增維Krylov子空間法則更適用于大規(guī)模