蜂窝夹芯热防护系统的热分析及结构优化设计

发布时间：2017-10-22 11:05

  本文关键词：蜂窝夹芯热防护系统的热分析及结构优化设计

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【摘要】：由于严峻的飞行环境和特殊的飞行任务,与普通飞机相比,航天飞行器结构的热防护系统的性能要求高,其设计极为重要。本文对航天结构的蜂窝夹芯热防护系统进行了热分析和结构优化设计,具体内容如下：本文以航天飞行器结构的防热-承载一体化设计的蜂窝夹芯热防护系统作为研究对象,首先,基于有限元分析软件ABAQUS对蜂窝夹芯热防护系统的热传导过程进行了数值模拟,数值模型中采用了不考虑对流换热边界条件的热传导平板模型进行近似计算,由蜂窝芯填充防热涂料所构成的防热层部分的等效热传导系数由文献中不同计算方法得到,其中最优方法所得结果与试验值的误差约为5%,研究表明不同的网格尺寸和表面反射率对计算结果影响不大。其次,对具有热防护系统的主承载结构进行了热应力分析,其中蜂窝夹芯结构采用三维有限元模型,施加的热载荷边界条件为通过热传导计算得到的温度场,比较了不同防热层厚度和有无防热涂料时热应力的差别,结果表明热防护系统的隔热效果越好,主承载结构的温度越低,热应力越小,温度变化对结构热应力的影响较为显著。最后,基于多学科优化平台Isight软件,使用平板热传导模型对承载-防热一体化结构进行了尺寸优化设计,在满足相应约束条件的前提下分别达到了重量最轻和隔热能力最强的优化目标,并分别对优化后的蜂窝夹芯板进行热应力计算。计算结果表明：重量最轻的设计方案与原结构相比,总质量降低了约8.79%,热应力变化不大；隔热能力最强的设计方案与原结构相比,质量几乎不变,背面温度降低了约31.86%,最大Von Mises应力降低了约45.57%。
【关键词】：蜂窝夹芯结构 热防护系统 热传导 热应力 优化设计
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V445.1
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-18
• 1.1 研究背景及意义10-13
• 1.2 国内外研究现状13-16
• 1.3 本文研究内容16-18
• 2 蜂窝夹芯热防护系统热传导分析18-34
• 2.1 引言18
• 2.2 传热学基本理论18-20
• 2.2.1 导热18
• 2.2.2 对流18-19
• 2.2.3 热辐射19
• 2.2.4 传热基本方程19-20
• 2.2.5 边界条件20
• 2.2.6 导热微分方程的适用范围20
• 2.3 蜂窝夹芯板热传导试验20-23
• 2.3.1 试验件20-21
• 2.3.2 试验过程21-22
• 2.3.3 试验结果22-23
• 2.4 等效热传导系数计算23-26
• 2.4.1 只考虑防热材料24
• 2.4.2 简单混合计算24
• 2.4.3 改进的混合计算24-25
• 2.4.4 参数辨识计算25
• 2.4.5 等效复合材料计算25-26
• 2.5 数值模拟26-32
• 2.5.1 问题描述26-27
• 2.5.2 有限元模型27-28
• 2.5.3 计算结果28-30
• 2.5.4 结果讨论与分析30-32
• 2.6 本章小结32-34
• 3 蜂窝夹芯热防护系统热应力分析34-48
• 3.1 引言34
• 3.2 热应力的产生34-35
• 3.3 热应力计算35-46
• 3.3.1 热应力计算理论35
• 3.3.2 有限元法计算过程35-39
• 3.3.3 材料属性39
• 3.3.4 边界条件39-40
• 3.3.5 热载荷40-41
• 3.3.6 热应力计算结果41-46
• 3.4 结果分析46
• 3.5 本章小结46-48
• 4 蜂窝夹芯热防护系统的优化设计48-64
• 4.1 引言48
• 4.2 优化设计理论48-49
• 4.3 优化算法简介49-51
• 4.3.1 多岛遗传算法49-51
• 4.3.2 序列二次规划算法51
• 4.4 Isight软件简介51
• 4.5 优化设计过程51-56
• 4.5.1 试验设计51-53
• 4.5.2 优化问题一53-54
• 4.5.3 优化问题二54-56
• 4.5.4 混合优化方法56
• 4.6 优化设计结果56-63
• 4.6.1 优化问题一计算结果56-60
• 4.6.2 优化问题二计算结果60-63
• 4.7 本章小结63-64
• 5 结论与展望64-66
• 5.1 结论64
• 5.2 工作展望64-66
• 参考文献66-69
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况69-70
• 致谢70-71

【参考文献】

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本文编号：1078063