沿轨道环境下防热复合材料端头结构热应力研究

论文摘要

高超声速飞行器在大气层内飞行时,结构表面受到强烈的气动加热作用。防热和热膨胀问题对飞行器整体设计具有重要影响。为使飞行器内部工作在允许的温度范围内,而且结构也不会因热变形而发生破坏,热防护系统在这几十年得到了长足的发展,不断推陈出新,世界各航空航天大国在相关领域的研究工作也一直未曾间断,不断地对结构和材料进行改进以提高防热能力及飞行器性能。先进复合材料凭借着如高比强度、高比刚度、高疲劳抗力、高阻尼以及近于零的热膨胀系数（在纤维方向）等众多优点,在航空航天等领域得到了广泛的应用,SR-71“黑鸟”就使用大量钛合金、皱褶蒙皮等复合材料,而最新发展的防热材料均属于这种有着众多优点的复合材料。防热复合材料在工作状态下温度分布高度不均匀,其热应力问题显得特别突出,如不能正确估计结构热应力情况就对飞行器结构进行设计,极可能会出现较大的热应力或热变形,从而导致结构失效。对一般复合材料力学性能,国内外相关研究已进行了很多,而针对航天应用领域特定结构的热响应（气动热作用下）规律认识和研究都还不够。为了深入了解飞行器端头结构热应力分布规律,本文在研究并掌握了有限元计算热应力问题方法的基础上,建立了六面体等参元结构网格热应力计算程序,并与已有的四面体非结构网格计算程序相融合,完善了具有一定普适性的热应力有限元计算软件。以此为基础,研究了单层、多层防热结构情况下的热应力规律。并根据结果,初步进行了优化探索工作。主要内容分为五章,各章内容概述如下:在引言中,介绍了该课题研究的背景和意义,从复合材料力学、热应力、复合材料热应力三方面叙述了国内外的相关研究现状,并简要阐述了有限元发展概况,提出了本文的研究思路与内容;在第二章中,从热弹性理论基础出发,给出了详细的热应力问题有限元基本公式推导,并针对三维有限元计算常涉及到的四面体、六面体单元及其插值函数的构造进行了描述。此外,对等参元与等参变化做了相应介绍。在第三章中,以前章的有限元基本公式为基础,采用等参元方法编制了三维六面体结构网格的热应力计算程序,并利用商用软件ABAQUS对程序进行了算例对比验证,为后续热应力问题研究的可靠性提供了保证。在第四章中,采用自编有限元热应力计算程序计算分析了单层、多层复合材料端头结构热应力。为保证结果真实性,均采用模拟弹道进行环境、温度场计算,并以此为基础研究热应力分布规律。计算结果说明,热应力分布主要还是受到环境温度场的影响,同时,多层防热结构材料特性也存在较大影响。在考察端头结构应力分布规律时,这些因素都要充分的考虑进去。在第五章中,对结构热应力分布规律进行了探索分析,针对结构材料进行了优化探索研究,提出了一定的优化改进意见。重点针对结构的材料主轴对热应力影响问题进行了细致的优化分析。从分析结果可以看出,针对飞行器结构进行热应力优化是存在可行性的,在今后的工作中可以继续加以发展,从而使飞行器的结构设计在考虑热应力情况下更加合理、高效。最后,在结束语中,我们对已有的工作作了回顾,指出存在的不足和今后的研究方向。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究进展
• 1.2.1 复合材料力学研究进展
• 1.2.2 热应力研究进展
• 1.2.3 复合材料热应力研究进展
• 1.2.4 有限元法研究概况
• 1.3 本文研究工作
• 第二章 热应力问题有限元方法
• 2.1 热弹性理论
• 2.2 有限元方法
• 2.2.1 基本公式推导
• 2.2.2 单元和插值函数的构造
• 2.2.3 等参变换的概念和单元矩阵的变换
• 第三章 程序编制与校验
• 3.1 程序编制情况
• 3.2 验证算例1：长方体块受压和热膨胀问题
• 3.3 验证算例2：中心带园孔的无限大平板拉伸问题
• 3.4 验证算例3：双层空心圆筒热膨胀问题
• 第四章 高超声速飞行器端头结构热应力研究
• 4.1 单一复合材料端头结构热应力
• 4.1.1 计算模型与参数选择
• 4.1.2 应力分布规律特性
• 4.2 多层复合材料端头结构热应力
• 4.2.1 计算模型与参数选择
• 4.2.2 应力分布规律特性
• 第五章 高超声速飞行器端头结构热应力优化探索
• 5.1 材料优化探索
• 5.2 材料主轴热应力优化
• 5.2.1 优化模型
• 5.2.2 优化结果分析
• 5.3 进一步优化探讨
• 第六章 结束语
• 致谢
• 攻读硕士学位期间撰写论文与获奖情况
• 参考文献