可重复使用运载器热防护系统热/力耦合数值计算研究

摘要

热防护系统(Thermal Protection System--TPS)设计与分析是可重复使用航天器(Reusable Launch Vehicle--RLV)的重要关键技术之一，开展热防护系统研究，确定其结构参数对RLV质量与温度场分布的影响作用、再入时热冲导致的热力耦合效应等是热防护系统设计分析的重要研究课题。 基于有限元Galerkin方法原理，本文细致研究了线性瞬态热传导方程和非性瞬态热传导方程的数值计算方法，进行了数值分析计算，主要研究工作包，推导了正交各向异性的复合材料等参元有限元列式，给出了正交各向异性材料的热传导系数从材料主轴、整体坐标系到参数正则坐标系下的有限元等参元计算变换式；为计及热载荷具有热冲击性质，温度场在单元间采用二次插值函数，并推导出不同边界条件下的单元算法和有限元数值计算列式，获得到各向异性层状材料热分析超参数壳体单元的有限元完整计算方法；在此基础上，突破传统单元构造方法，提出了一种中面层8节点高精度等参三维退化热壳单元计算列式，使壳结构的热特性数值分析变量减少了一倍，通过数值算例验证了该算法的正确性和高效性；根据相对自由度概念，构造了相对自由度壳体单元的热分析算法，通过具体算例与ANSYS软件计算结果的比较，吻合很好，验证了本文算法的正确性；与此同时，把使用超参数温度壳元计算结果和相对自由度温度壳元计算结果相比较，表明了超参数温度壳元和相对自由度温度壳元有良好的一致性。 针对热防护系统金属蜂窝典型单元，本文构造了蜂窝核细观导热有限元数值计算分析模型，建立了空间二维薄板热分析有限元算法，推导了一般性计算公式，建立了空间四节点薄板等参元计算格式；在此基础上，讨论了典型蜂窝单元的数值计算模型和边界条件处理算法，确定了具体结构尺寸、边界条件以及热流函数曲线。鉴于典型蜂窝单元材料物性参数的复杂性，在没有具体的物性参数可用的情况下，参考国外技术资料给出了计算热物性经验公式。在大量数值计算基础上，研究分析了结构尺寸和不同辐射条件对典型蜂窝单元的温度场分布影响作用，获得了结构构形参数的敏感性作用。在典型蜂窝单元的传热分析基础上，本文分析推导了准静态热力耦合有限元列式，采用ANSYS软件对单层和双层典型蜂窝单元进行了二维热力耦合分析，得到了最大应力点和最大位移量。同时建立了两典型蜂窝单元间隙的热/力耦合数值计算模型，进研究了板间缝隙的热短路效应。为研究热冲击作用，本文由能量原理，推演了瞬态热/力耦合形式的导热及动力学数值计算方程。 为求解瞬态热/力耦合形式的导热及动力学方程，本文总结了钟万勰院士提出的精细积分法以及后续的算法发展和应用范围，描述了精细积分方法的基本过程、主要思路以及计算格式，总结了线性与非线性问题的时程精细积分法的具体计算公式。在此基础上，根据有限元数值计算理论，推导了瞬态热传导分析的时程精细积分算法格式，给出了精细积分法计算非线性瞬态热传导分析的预测—校正法。为提高动态热力耦合数值计算精度，本文应用精细积分方法研究了热冲击结构的热力耦合计算方法，根据动态热力耦合的变分原理—哈密顿原理和热流势最小作用量原理，给出了耦合形式的热传导方程，即考虑了结构应变率对于热传导方程的影响因素，同时考虑到热载荷变化剧烈，给出了离散结构动力学计算方程，使热力耦合问题转化为耦合形式的热传导方程和动力学结构方程的耦合数值计算问题。根据增维精细积分法的原理，推导了准静态热力耦合的增维精细积分计算格式和动态热力耦合的增维积分计算格式；在此基础上，通过数值算例研究了考虑耦合项与不考虑耦合项对计算结果的影响作用，对准静态热力耦合和动态热力耦合进行了数值对比分析。 本文研究的数值计算方法对航天航空飞行器热防护结构系统的大规模热/力工程精细分析计算有良好的借鉴与应用价值。

目录

文摘

英文文摘

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第一章 绪论

1.1可重复使用热防护系统概述

1.1.1国外RLV的热防护系统展特点以及形式

1.1.2国内外的RLV的热防护系统结构和材料形式

1.2可重复使用热防护系统热分析问题的研究现状

1.2.1国外金属热防护系统热分析现状与新进展

1.2.2国内热防护系统热分析现状与新进展

1.3可重复使用热防护系统热力耦合问题的研究现状

1.4瞬态系统的时程精细积分方法

1.5本文主要工作

第二章 热传导方程有限元数值算法研究

2.1 引言

2.2热传导方程有限元计算的Galerkin格式

2.2.1热传导微分控制方程

2.2.2有限元计算的Galerkin格式

2.3二维热传导方程四节点等参元计算格式

2.3.1坐标变换

2.3.2温度插值函数

2.3.3温度有限元列式

2.3.4边界条件的应用

2.3.5二维四边形阶谱单元

2.4三维八节点各向异性体单元

2.5线性有限元瞬态导热微分方程组的数值解法

2.6非线性有限元瞬态导热微分方程组的数值解法

2.7算例分析

2.8小结

第三章 各向异性层状材料的热壳元分析

3.1引言

3.2超参数温度壳体单元

3.2.1壳体几何形状的规定

3.2.2参数坐标系下的温度函数插值

3.2.3有限元列式

3.3层壳复合材料单元的积分简化计算

3.4相对自由度温度壳体单元

3.5算例分析

3.6小结

第四章 金属热防护系统蜂窝结构的热分析

4.1引言

4.2蜂窝核细观导热有限元分析模型

4.2.1蜂窝结构示意图

4.2.2三维金属薄壳的有限元数值分析方法

4.2.3蜂窝平面四节点有限元列式

4.3蜂窝型热防护板数值计算模型以及边界条件处理

4.3.1建立模型

4.3.2物质热属性的确定

4.3.3确定边界条件和载荷

4.4蜂窝型金属热防护板热分析

4.4.1结构尺度对于温度场分布的影响

4.4.2辐射对于温度场分布的影响

4.5小结

第五章 热力耦合有限元数值算法研究

5.1引言

5.2热力耦合有限元列式

5.2.1热应力与热应变

5.2.2热力平衡微分方程

5.2.3热力耦合有限元列式

5.3蜂窝型金属热防护板二维热力耦合分析

5.3.1单层蜂窝热防护板二维热力耦合分析

5.3.2双层蜂窝热防护板二维热力耦合分析

5.3.3两块热防护板的二维热力耦合分析

5.4温度场与应变场的耦合数值计算列式

5.5小结

第六章 热传导方程的时程精细积分解法

6.1引言

6.2线性问题的时程精细积分法

6.3非线性问题的时程精细积分法

6.4瞬态热传导分析的时程精细积分法

6.5非线性瞬态热传导分析的时程精细积分法

6.6算例分析

6.7小结

第七章 热力耦合系统的精细积分研究

7.1引言

7.2能量方程

7.3增维精细积分方法

7.3.1非齐次项为方程组的解

7.3.2增加常数维

7.4准静态热力耦合

7.5动态热力耦合

7.6算例分析

7.7小结

第八章 总结与展望

8.1工作总结

8.2工作创新点

8.3工作展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的相关学术论文

致谢