金屬蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)性能研究與多層隔熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì).pdf

1、金屬熱防護(hù)系統(tǒng)克服了陶瓷熱防護(hù)系統(tǒng)本征脆性、吸濕及抗沖擊能力差的缺陷，具有大尺寸、可重復(fù)使用、全壽命周期成本低的突出優(yōu)勢(shì)，是可重復(fù)使用航天器次高溫區(qū)大面積被動(dòng)防熱首選防熱系統(tǒng)。金屬熱防護(hù)系統(tǒng)主要由三部分組成：金屬蜂窩夾芯蓋板結(jié)構(gòu)、多層反射隔熱結(jié)構(gòu)和筒狀連接結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可靠性和綜合隔熱能力關(guān)系到全機(jī)熱防護(hù)系統(tǒng)的使用壽命和運(yùn)載器的安全飛行，故本文的研究工作主要是針對(duì)熱防護(hù)系統(tǒng)典型金屬蜂窩夾芯蓋板結(jié)構(gòu)進(jìn)行常溫和高溫下的力學(xué)性能和微觀組織

2、的研究，利用有限元法分析結(jié)構(gòu)在熱力耦合作用下的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)，分析金屬熱防護(hù)系統(tǒng)子結(jié)構(gòu)—多層反射隔熱結(jié)構(gòu)隔熱性能的主要影響因素及隔熱效率，優(yōu)化設(shè)計(jì)多層反射隔熱結(jié)構(gòu)。
　　首先研究了金屬蜂窩夾芯蓋板結(jié)構(gòu)的常溫和高溫力學(xué)性能，及高溫合合金材料的原始組織結(jié)構(gòu)以及在高溫時(shí)效過(guò)程中演變規(guī)律，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究確定：該結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的高溫力學(xué)性能，在900℃的高溫，極限拉伸強(qiáng)度為9.3Mpa，最大延伸率為36％，可以有效地吸收能量，延緩熱防護(hù)

3、系統(tǒng)的失效過(guò)程；在900℃時(shí)效30個(gè)小時(shí)過(guò)程中，釬焊區(qū)中的脆性相及金屬間化合物逐漸減少，固溶體逐漸長(zhǎng)大，直到釬焊區(qū)完全變?yōu)楣倘荏w，可見(jiàn)金屬蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)時(shí)間高溫條件下，組織結(jié)構(gòu)的變化有利于結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能的提高。
　　利用有限元分析軟件Ansys11.0來(lái)研究金屬熱防護(hù)系統(tǒng)在熱力耦合作用下的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)。由于結(jié)構(gòu)具有幾何、材料和載荷的對(duì)稱性特征，故建立了金屬熱防護(hù)系統(tǒng)的四分之一有限元分析模型。為了保證分析精度，建立的有限

4、元模型完全模擬出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的真實(shí)細(xì)節(jié)。采用間接法進(jìn)行熱力耦合分析，即先通過(guò)瞬態(tài)熱分析研究結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)溫度變化，然后在結(jié)構(gòu)分析中把溫度作為熱載荷施加在有限元模型上。具體分析步驟為：首先根據(jù)石墨平板爐熱評(píng)價(jià)的試驗(yàn)條件對(duì)金屬熱防護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行有限元分析，然后把計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，在一定誤差范圍內(nèi)驗(yàn)證了計(jì)算模型的正確性；其次采用航天器再入實(shí)際載荷條件，建立相同的有限元物理模型分析了結(jié)構(gòu)金屬熱防護(hù)系統(tǒng)的瞬態(tài)溫度場(chǎng)、最大變形量及最大應(yīng)力。最后得出本

5、文研究的金屬熱防護(hù)結(jié)構(gòu)可以滿足使用要求，在溫度載荷和壓力的耦合作用下，可以有效地阻擋熱量向機(jī)體的傳遞，在整個(gè)升溫歷程中，機(jī)體溫度只升高了6.8℃，金屬熱防護(hù)結(jié)構(gòu)與陶瓷防熱瓦之間應(yīng)至少預(yù)留3.1mm的膨脹空間，整體結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力為93.5MPa，遠(yuǎn)小于材料屈服應(yīng)力590MPa，最大應(yīng)力點(diǎn)發(fā)生在連接柱與蜂窩夾芯蓋板結(jié)構(gòu)的相交處。
　　分析了多層反射隔熱結(jié)構(gòu)的隔熱機(jī)理，以及影響多層反射隔熱結(jié)構(gòu)隔熱性能的主要影響因素和多層反射隔熱結(jié)構(gòu)的

6、隔熱效率，利用Matlab語(yǔ)言編程求解多層反射隔熱結(jié)構(gòu)能量控制方程，采用正交設(shè)計(jì)四因素三水平方法安排算例，并采用極差和方差分析方法和顯著性分析對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行綜合分析，得到影響結(jié)構(gòu)隔熱性能的主要因素為：屏間隔熱纖維層的密度和反射屏的發(fā)射率，反射屏個(gè)數(shù)對(duì)隔熱性能也有一定的影響，反射屏間距對(duì)隔熱性能的影響不大。得到最優(yōu)多層反射隔熱結(jié)構(gòu)的組成形式為屏間纖維氈密度為96kg/m3、反射屏的間距為3mm、反射屏的個(gè)數(shù)為4、反射屏的發(fā)射率為0.05，