金属蜂窝夹芯结构性能研究与多层隔热结构优化设计

论文摘要

金属热防护系统克服了陶瓷热防护系统本征脆性、吸湿及抗冲击能力差的缺陷,具有大尺寸、可重复使用、全寿命周期成本低的突出优势,是可重复使用航天器次高温区大面积被动防热首选防热系统。金属热防护系统主要由三部分组成:金属蜂窝夹芯盖板结构、多层反射隔热结构和筒状连接结构,该系统的结构可靠性和综合隔热能力关系到全机热防护系统的使用寿命和运载器的安全飞行,故本文的研究工作主要是针对热防护系统典型金属蜂窝夹芯盖板结构进行常温和高温下的力学性能和微观组织的研究,利用有限元法分析结构在热力耦合作用下的温度场、应力场和位移场,分析金属热防护系统子结构—多层反射隔热结构隔热性能的主要影响因素及隔热效率,优化设计多层反射隔热结构。首先研究了金属蜂窝夹芯盖板结构的常温和高温力学性能,及高温合合金材料的原始组织结构以及在高温时效过程中演变规律,通过实验研究确定:该结构具有优良的高温力学性能,在900℃的高温,极限拉伸强度为9.3Mpa,最大延伸率为36%,可以有效地吸收能量,延缓热防护系统的失效过程;在900℃时效30个小时过程中,钎焊区中的脆性相及金属间化合物逐渐减少,固溶体逐渐长大,直到钎焊区完全变为固溶体,可见金属蜂窝夹芯结构在长时间高温条件下,组织结构的变化有利于结构的力学性能的提高。利用有限元分析软件Ansys11.0来研究金属热防护系统在热力耦合作用下的温度场、应力场和位移场。由于结构具有几何、材料和载荷的对称性特征,故建立了金属热防护系统的四分之一有限元分析模型。为了保证分析精度,建立的有限元模型完全模拟出系统结构的真实细节。采用间接法进行热力耦合分析,即先通过瞬态热分析研究结构的瞬态温度变化,然后在结构分析中把温度作为热载荷施加在有限元模型上。具体分析步骤为:首先根据石墨平板炉热评价的试验条件对金属热防护系统进行有限元分析,然后把计算结果与实验数据进行比较,在一定误差范围内验证了计算模型的正确性;其次采用航天器再入实际载荷条件,建立相同的有限元物理模型分析了结构金属热防护系统的瞬态温度场、最大变形量及最大应力。最后得出本文研究的金属热防护结构可以满足使用要求,在温度载荷和压力的耦合作用下,可以有效地阻挡热量向机体的传递,在整个升温历程中,机体温度只升高了6.8℃,金属热防护结构与陶瓷防热瓦之间应至少预留3.1mm的膨胀空间,整体结构最大等效应力为93.5MPa,远小于材料屈服应力590MPa,最大应力点发生在连接柱与蜂窝夹芯盖板结构的相交处。分析了多层反射隔热结构的隔热机理,以及影响多层反射隔热结构隔热性能的主要影响因素和多层反射隔热结构的隔热效率,利用Matlab语言编程求解多层反射隔热结构能量控制方程,采用正交设计四因素三水平方法安排算例,并采用极差和方差分析方法和显著性分析对计算结果进行综合分析,得到影响结构隔热性能的主要因素为:屏间隔热纤维层的密度和反射屏的发射率,反射屏个数对隔热性能也有一定的影响,反射屏间距对隔热性能的影响不大。得到最优多层反射隔热结构的组成形式为屏间纤维毡密度为96kg/m3、反射屏的间距为3mm、反射屏的个数为4、反射屏的发射率为0.05,瞬态温度载荷作用下多层反射隔热结构底部温度为158.32℃,与同载荷、同厚度、同密度的纤维隔热材料相比,隔热效率提高了44.01%,对于本文研究的30mm厚的多层反射隔热结构,单位面积总重量为4.18kg/m2。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 金属热防护系统简介
• 1.3 金属热防护系统材料和结构研究现状
• 1.3.1 国外研究发展现状
• 1.3.2 国内研究发展现状
• 1.4 多层反射隔热结构研究现状
• 1.5 课题主要研究内容
• 第2章 金属蜂窝夹芯结构微观组织和力学性能分析
• 2.1 引言
• 2.2 金属蜂窝夹芯结构微观组织分析
• 2.2.1 微观组织分析方法
• 2.2.2 钎焊区原始组织分析
• 2.2.3 时效后钎焊区微观组织分析
• 2.3 金属蜂窝夹芯结构的力学性能分析
• 2.3.1 蜂窝夹芯结构拉伸性能研究
• 2.3.2 蜂窝夹芯结构压缩性能研究
• 2.3.3 蜂窝夹芯结构剪切性能研究
• 2.3.4 蜂窝夹芯结构弯曲性能研究
• 2.4 本章小结
• 第3章 金属热防护系统热-结构耦合分析
• 3.1 引言
• 3.2 有限元方法简介
• 3.2.1 有限元分析理论基础
• 3.2.2 参数化设计语言APDL简介
• 3.2.3 热结构耦合分析理论
• 3.3 热防护系统有限元模型
• 3.3.1 几何模型
• 3.3.2 单元类型
• 3.3.3 有限元模型
• 3.4 有限元模型的实验验证
• 3.4.1 热防护系统的隔热性能的实验测试
• 3.4.2 有限元模型计算结果与实验值的比较
• 3.4.3 计算值与实验值的误差分析
• 3.5 热防护结构热力耦合分析
• 3.5.1 材料属性
• 3.5.2 载荷和约束条件
• 3.5.3 热分析结果
• 3.5.4 热力耦合分析结果
• 3.6 本章小结
• 第4章 多层反射隔热结构优化分析及设计
• 4.1 引言
• 4.2 隔热材料中的传热类型分析
• 4.3 吸收、发射和散射介质中的热辐射
• 4.3.1 热辐射能的传递过程分析
• 4.3.2 热辐射的相关参数
• 4.4 多层反射隔热结构传热机理
• 4.4.1 反射屏的隔热作用分析
• 4.4.2 屏间介质气体传导分析
• 4.4.3 屏间介质固体传导分析
• 4.4.4 屏间介质固体-气体复合传导分析
• 4.4.5 吸收、发射和散射介质中的辐射传热分析
• 4.5 多层反射隔热结构优化设计
• 4.5.1 辐射热流求解的简化方法
• 4.5.2 能量守恒方程和入射辐射方程的有限体积离散法
• 4.5.3 多层反射隔热结构瞬态温度场求解算法
• 4.5.4 多层反射隔热结构隔热性能影响因素分析
• 4.5.5 多层反射隔热结构隔热效率分析
• 4.5.6 多层反射隔热结构最优设计
• 4.6 本章小结
• 结论
• 附录
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢