高超声速飞行器金属蜂窝夹芯结构的热机耦合行为分析

论文摘要

高超声速飞行器具有超高速和高机动的远程精确打击能力,已受到世界各航天大国的高度重视,其必将引发未来军事战略科学和战争概念模式的革命。临近空间高超声速飞行器在飞行过程中将遭受严苛的气动加热载荷,故需要在其外表面铺设热防护结构以阻滞热流进入机体结构内部。金属热防护系统MTPS（Metal Thermal Protection System）被视为目前最有发展前景的热防护系统,其具有大尺寸、可重复使用、全寿命周期成本低的突出优势,是高超声速飞行器次高温区（1000℃以下）大面积被动防热的首选防热系统。金属热防护系统主要由高温合金蜂窝夹芯面板、综合隔热结构和包覆及连接支架结构构成。对于未来高超声速巡航飞行器等承受热载更高时间更长的飞行器,目前的金属热防护系统的热防护能力还有较大的不足,故本文的研究工作主要是针对现有金属热防护结构,引入相变材料以期改进其热性能,并利用有限元软件分析改进后的金属基热防护系统的温度场、应力场和位移场,从而为新型金属热防护结构的设计提供一定的理论基础。首先,根据金属基热防护系统的使用环境,综合考虑相变材料的热性能即低热传导率、高热容率和相变温度等因素,选择两种典型相变材料——过共晶硅铝合金和三元硝酸熔盐,改善其防隔热性能。针对充填不同相变材料的热防护结构,建立相关的有限元计算模型,分析不同结构构型的改进热防护结构的温度场分布。分析结果显示,充填低温相变材料的热防护结构,其热防护性能得到明显的提升,而高温相变材料的改进效果则不明显。此外,基于相变材料在热载环境下发生完全发生相变的理想假设,研究表明,相变材料所在空间位置的热通量越低,热防护结构的防护性能越好。基于优化所得的最优热防护结构形式,探讨了其连接件及板间缝隙热通道问题。结合连接件的功能要求及热防护系统的发展趋势,选定了Z字形盒式连接支架进行连接件的热通道分析,建立了其局部校核模型,计算了不同Z形偏角、考虑板间缝隙内部辐射或板间缝隙填充隔热毡等情况下的温度场。结果表明：由于板间缝隙热路径短,其造成的热短路现象比连接件结构的热短路现象要严重的多,板间缝隙热短路问题最严重的是MTPS拼接边角区域。虽然改进后的MTPS热短路问题对比于传统的MTPS虽然有较大程度的缓解,但是温度依然大幅高于其它区域,所以在设计MTPS结构的时候仍要对其进行重点关注。还讨论了通过改变侧板与连接件的结构和布置形式及依靠承力式相变材料包覆结构进一步减缓热通道问题的可能性。最后,建立了金属基热防护整体结构的1/4模型,采用间接耦合法,应用X-33的再入飞行热载条件,研究了经相变材料改进后的金属热防护结构在热力耦合作用下的温度场、应力场和位移场。计算过程对相变材料的封装及包覆形式而产生的力学结构问题进行了一定的理想假设。温度场结果显示,MTPS结构拼接角处的热短路现象在连接件热通道的影响下有了一定幅度的上升,且MTPS面板的整体尺寸直接关系到改进后MTPS的整体热性能。在热力耦合作用下,其最大变形出现在拼装搭接处,并受板间缝隙的尺寸及MTPS整体尺寸的共同影响。蜂窝上面板的受力情况与连接件与蜂窝面板的钎焊形状有直接关系。热力耦合下的最大应力值发生在连接件的偏角位置,最大应力值小于结构最高温度下高温合金的屈曲强度,说明该MTPS具有足够强度和刚度满足其使用环境的要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 金属热防护系统及其相关材料的研究现状
• 1.2.1 国外的研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 相变储能材料
• 1.4 金属热防护结构的热机耦合分析研究现状
• 1.5 课题主要研究内容
• 第2章 热传导及耦合分析理论研究
• 2.1 热传递的基本方式
• 2.2 热分析的有限元法
• 2.2.1 热传导微分控制方程
• 2.2.2 热分析的有限元计算方法
• 2.3 相变传热的数学模型
• 2.4 热力耦合的基本理论研究
• 2.4.1 热力耦合的有限元表达
• 2.4.2 热力应变能
• 2.4.3 外载荷引起的应变能
• 2.4.4 最小势能原理的有限元列式
• 2.4.5 合成有限元计算的整体矩阵
• 2.5 本章小结
• 第3章 相变材料改进MTPS的热性能分析
• 3.1 引言
• 3.2 相变材料的选择
• 3.3 改进后金属热防护的有限元模型
• 3.3.1 几何模型
• 3.3.2 有限元模型
• 3.4 改进型金属基热防护结构的单胞模型热分析结果
• 3.4.1 载荷和约束条件
• 3.4.2 热分析结果及分析
• 3.5 蜂窝芯子内部辐射的影响
• 3.6 本章小结
• 第4章 连接及缝隙结构对MTPS隔热性能的影响
• 4.1 引言
• 4.2 含连接件结构的有限元分析
• 4.2.1 连接件的种类及构成
• 4.2.2 连接件的几何模型与加载条件
• 4.2.3 热分析结果
• 4.3 缝隙结构对MTPS的影响分析
• 4.3.1 MTPS的缝隙结构
• 4.3.2 带缝隙的MTPS局部校核模型
• 4.3.3 热分析结果
• 4.4 MTPS拼接角热通道分析
• 4.4.1 MTPS角接触处的缝隙结构
• 4.4.2 MTPS拼接角的局部校核模型
• 4.4.3 热分析结果
• 4.5 本章小结
• 第5章 改进型MTPS的热力耦合分析
• 5.1 引言
• 5.2 ANSYS的热力耦合分析
• 5.3 热防护系统有限元模型
• 5.3.1 几何模型
• 5.3.2 有限元模型
• 5.4 热防护结构热力耦合分析
• 5.4.1 载荷和约束条件
• 5.4.2 热分析结果
• 5.4.3 热力耦合分析结果
• 5.5 本章小结
• 结论
• 附录
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢