高超声速飞行器气动热影响部件的热分析

论文摘要

高超声速飞行器是21世纪世界航空航天事业发展的一个主要方向,对国际战略格局、军事力量对比、科学技术和经济社会发展以及综合国力提升等产生重大和深远的影响。而其中的防热问题是高超声速飞行器设计的关键问题。本文以典型的高超声速飞行器受气动加热影响的热防护系统方案为工程背景,参考目前国内外先进的热防护系统方案,完成从飞行器的气动加热、热防护系统材料与尺寸的对比和防热性能分析到结构热响应的计算过程。首先利用数值方法和工程估算方法对飞行器的热环境进行气动加热计算,针对飞行过程中的典型设计点分别得到气动加热的数值解,计算得出飞行器的头锥部分、进气道侧板前缘、进气道唇口和尾翼前缘的气动加热情况最为严重。其次对于飞行器典型受热区域建立热防护系统方案,并利用气动加热的计算结果,将其作为结构热分析有限元计算的初始边界条件,考虑飞行器壁面温度变化对热流密度的影响,对热流密度进行修正迭代,得到不同材料和不同设计参数的飞行器结构的温度场分布。再次在温度场计算的基础上,采用相同的计算方法和网格剖分,并考虑飞行器部件的受力特点,进行热——应力耦合场的数值模拟计算,得到其在各个方向上的位移场分布和应力场分布规律。最后对飞行器系统中的螺钉固定部件的接触热阻进行了初步的研究,数值求解螺钉固定部件的接触热阻,并利用有限元程序对接触热阻与粗糙度的关系进行了分析。整个计算过程对于高超声速飞行器的热结构设计和分析提供了一些有益的参考,具有一定的工程实用价值。

论文目录

• 表目录
• 图目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 高超声速飞行器热分析和热防护研究的背景和意义
• 1.2 高超声速飞行器的研究进展
• 1.2.1 高超声速飞行器研究计划及进展
• 1.2.2 气动加热和热防护概述
• 1.3 本文研究的主要内容
• 第二章 气动加热计算
• 2.1 气动加热的数值计算
• 2.1.1 控制方程
• 2.1.2 初始条件和边界条件
• 2.1.3 方程的离散和计算
• 2.2 气动加热的一些工程估算方法
• 2.2.1 气动加热的参考焓计算方法
• 2.2.2 气动加热的局部流场计算方法
• 2.2.2.1 驻点区的计算方法
• 2.2.2.2 非驻点区的计算方法
• 2.3 计算模型和结果
• 2.3.1 计算模型算例
• 2.3.2 结果分析
• 2.4 小结
• 第三章 飞行器热防护系统的设计与分析
• 3.1 有限元法传热计算的实现
• 3.1.1 热传导问题的基本方程
• 3.1.2 稳态热传导问题的有限元分析
• 3.1.3 瞬态热传导问题的有限元分析
• 3.2 热防护结构的计算模型及计算分析方法
• 3.2.1 热防护结构的计算模型
• 3.2.2 计算分析方法
• 3.3 计算结果及结果分析
• 3.3.1 头锥部分的热分析
• 3.3.1.1 不同头部半径的计算结果
• 3.3.1.2 不同头部材料的计算结果
• 3.3.2 进气道侧板和唇口的热分析
• 3.3.3 机身部分的热分析
• 3.3.4 尾翼部分的热分析
• 3.4 小结
• 第四章 飞行器关键部件的结构热响应分析
• 4.1 热应力问题的有限单元法求解
• 4.1.1 热应力概论
• 4.1.2 热应力问题有限单元法求解
• 4.2 计算结果和结果分析
• 4.2.1 进气道侧板和唇口的热变形和热应力分析
• 4.2.2 尾翼的热变形和热应力分析
• 4.3 小结
• 第五章 飞行器零部件接触热阻初步研究
• 5.1 接触热阻研究的意义和研究概况
• 5.2 接触热阻的理论研究
• 5.2.1 接触热阻的机理
• 5.2.2 接触热阻理论研究的理论公式
• 5.2.2.1 单接触点的接触热阻
• 5.2.2.2 多接触点的接触热阻
• 5.3 接触热阻研究的数值模拟
• 5.4 小结
• 第六章 结论
• 6.1 本文工作总结
• 6.2 对进一步工作的建议
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果