防隔熱一體化熱防護結(jié)構(gòu)的梯度層設(shè)計與整體優(yōu)化.pdf

1、防隔熱一體化熱防護結(jié)構(gòu)通過將防熱材料與輕質(zhì)隔熱材料進行組合，簡化了熱防護系統(tǒng)防、隔熱結(jié)構(gòu)設(shè)計，同時具有質(zhì)量輕、制備周期短的優(yōu)點，是熱防護發(fā)展的重要方向之一。但在該一體化熱防護結(jié)構(gòu)中，不同材料之間存在著性能不匹配的問題，在結(jié)構(gòu)服役過程中將產(chǎn)生極大的熱應(yīng)力，甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。本文針對該問題，通過在不同材料之間增加梯度層，以達到緩解材料性能不匹配的目的，并從梯度層設(shè)計和整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化兩方面展開研究。
　　本文首先建立了包含梯度層的防隔

2、熱一體化熱防護結(jié)構(gòu)熱力分析有限元模型，并對其熱力響應(yīng)特征進行了分析，說明了通過在不同材料之間增加梯度層可以起到緩解材料性能不匹配的目的；通過參數(shù)試驗方法，分析了梯度層尺寸參數(shù)和組分過渡形式等因素對結(jié)構(gòu)熱力響應(yīng)的影響規(guī)律。
　　進一步，以結(jié)構(gòu)面密度最小、整體厚度最薄、結(jié)構(gòu)徑向尺寸最大為優(yōu)化目標，建立了一體化熱防護結(jié)構(gòu)多目標優(yōu)化模型；通過分析熱流載荷作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)的變化趨勢，確定了極限響應(yīng)所處時間段，提高了優(yōu)化計算效率；基于單純形法對

3、梯度層各控制點處的材料組分體積分數(shù)進行了優(yōu)化，使得結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平大幅降低，并在此基礎(chǔ)上，以結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)作為設(shè)計變量，建立了以鄰域培植多目標遺傳算法為基礎(chǔ)的熱防護結(jié)構(gòu)多目標優(yōu)化問題求解方法，相應(yīng)優(yōu)化結(jié)果表明，所獲得的30個Pareto最優(yōu)解均接近于結(jié)構(gòu)極限響應(yīng)狀態(tài)，且在目標函數(shù)空間中，Pareto前沿分布范圍較為廣泛。
　　考慮了載荷條件、材料性能以及結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)等因素的不確定性，采用蒙特卡洛模擬方法對多目標優(yōu)化結(jié)果中最小厚度設(shè)計方案