一体化热防护系统连接结构的优化设计

【摘要】：结构效率更高的一体化热防护系统逐渐成为热防护发展的重点,但是由于一体化热防护系统连接结构隔热和承载性能相互制约、相互矛盾,增加了其设计难度。本文兼顾隔热和承载性能对一体化热防护系统连接结构开展了优化设计。首先对典型的一体化热防护系统波纹夹芯热防护进行热力耦合分析,发现一体化热防护系统中的连接结构是减缓热短路和热失配的关键。对腹板厚度Wt和其与面板夹角?进行参数敏感性分析,获得结构极限应力对Wt和?的敏感区间。选出对极限应力和变形量敏感性低几何模型进行热力耦合分析,发现结构极限应力大幅降低,但是也发现当前一体化热防护设计的不合理性以及尺寸优化兼顾隔热和承载方面的局限性。提出了以等效热流密度、等效散热功率和净传热速率为变量的三种隔热模型;通过公式推导和数值算例表明在热力耦合条件下,以应变能作为等效刚度的目标函数与结构柔度和上表面平均位移相比,优化结果的极限应力更小,刚度更大;根据三种隔热模型和应变能建立隔热承载一体化拓扑优化模型。针对已建立的拓扑优化模型,开展三种隔热模型下具体一体化热防护连接结构的拓扑优化,发现将净传热速率作为拓扑优化模型中的隔热部分所取得的优化结果界面更加清晰,中间密度更少。通过对优化结果模型重建并进行热力耦合分析,结果表明多工况的拓扑优化设计可以很好的均衡再入过程中的极限应力和屈曲变形量。根据拓扑优化结果建立结构形式更加简单的模型进行参数敏感性分析。选出最优的尺寸,该尺寸下热力耦合分析结果与拓扑优化结果相比,体积进一步减小,结构效率进一步提高。