《新型熱防護結構的熱力耦合分析與設計》是依託哈爾濱工業大學，由解維華擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：新型熱防護結構的熱力耦合分析與設計
- 依託單位：哈爾濱工業大學
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：解維華
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
目前的航天飛行器以氈/瓦式熱防護結構為主，通過粘接或機械連線寄生在機身之上，存在結構效率低、成本高的問題。考慮機身與熱防護的一體化設計是解決上述問題的一個有效途徑和重要發展方向。波紋夾芯結構填充隔熱材料是一種新型的一體化防熱結構，可以大幅提高結構效率、降低成本。但這種結構對承載、傳熱與結構性能的綜合要求極為苛刻，內外表面近千度的溫差造成巨大的熱梯度，存在變形協調設計與性能匹配等問題，針對新型結構特殊熱環境下的熱力耦合分析與設計是解決問題的關鍵與難點。本項目針對不同拓撲形式的一體化結構進行深入分析，建立新型結構高熱梯度與力學行為耦合的函式分析模型和傳熱機理分析模型。同時通過實驗，研究結構在高溫環境下的回響機理，驗證並修改分析模型。實現高溫、大溫度梯度環境下的熱力耦合精細數值模擬。為新型熱防護及高溫結構在飛行器結構中的套用奠定理論基礎，提供分析與設計的方法。
結題摘要
針對新型一體化熱防護系統（Integrated Thermal Protection System，ITPS），採用數值與實驗研究手段，對其傳熱及力學行為展開了研究。 分別針對新型一體化結構和內部的隔熱材料建立了傳熱分析模型。熱分析結果表明隔熱材料通過腹板向表面傳輸熱量較快，ITPS截面上半部分溫度等值線呈現倒弓形；並且由於腹板的熱短路效應，使得下表面腹板附近的隔熱材料及面板溫度較高，ITPS截面下半部分溫度等值線呈現弓形；對比一維傳熱分析與二維傳熱分析結果，兩種模型的底部溫度相差不超過10K，因而可以採用一維傳熱分析代替二維分析以提高計算效率。建立了結構力學行為回響分析模型，結構變形和應力分析表明：對於研究的一體化結構，腹板在與面板連線的位置出現應力集中，應力最大，腹板位置更容易發生屈曲，結構整體的承載能力主要是由腹板決定。通過分析具有不同結構參數的一體化熱防護系統，表明在相同的面板厚度下，腹板的厚度對背面溫度的影響最高；結構屈曲特徵值對腹板尺寸最為敏感。 開展了一體化結構的熱力耦合分析。熱應力分析表明：熱應力最高點位於腹板的兩側，上下面板的邊角處熱膨脹自由，因而應力較低。熱力耦合分析表明，最大應力的部位仍發生在腹板，位於面板邊界的一側上；腹板與上面板連線的位置應力也較大。通過熱力耦合分析了結構在高溫環境的屈曲回響，發現當一體化熱防護結構中存在溫度梯度時，結構的失穩模態更加複雜，而屈曲特徵值相比於均勻常溫狀態降低了85%。 在此基礎上，製備了一體化熱防護面板原理性試件。開展了一體化結構的地面模擬試驗，完成了兩種組合樣件的防隔熱性能測試，原理演示樣件試驗表明：隨著溫度的增加，一體化熱防護系統在400℃以內有效熱導率隨著溫度的增加呈線性增加的趨勢；當溫度超過400℃以後，其有效熱導率隨溫度的增大呈現出非線性增加趨勢。高溫合金組合件的試驗表明：腹板位置的溫度明顯高於其他同一水平位置的溫度值，這是由熱短路現象引起，這一結果與之前數值模擬的結果一致。屈曲實驗表明，單胞屈曲極限載荷接近理論值，屈曲模態與有限元分析一致。
