多层防隔热系统热力耦合计算机模拟

摘要

陶瓷防隔热结构是航天器传统的隔热结构,它具有质量轻、隔热性能好的优点。对于陶瓷防隔热结构来说,在满足隔热的前提下,提高强度是目前亟需解决的问题,同时也是防隔热系统结构一体化的要求。陶瓷防隔热结构主要由陶瓷防热层和多孔材料隔热层组成,防热层和隔热层之间也可能存在空气层或真空层,此时需要有防热层和隔热层之间的连接。隔热性能和结构可靠性是该结构主要考虑的性能,因此本文以大面积陶瓷多层防隔热结构为例,利用有限元分析软件对该结构在热力耦合作用下的温度场和应力场进行分析,验证结构的隔热性能和结构可靠性,优化设计隔热层的厚度,对实际工程应用有一定的指导意义。
　　首先建立了陶瓷防隔热结构的简化模型,并确定了该结构在服役条件下的边界条件和载荷:模型采用三层结构,主要为防热层、隔热层和基体层,防热层和隔热层之间通过连接件在外部连接;载荷为气动加热条件下简化的气动温度加载。边界条件主要考虑辐射和对流的加入。
　　利用有限元分析软件ANSYS来研究陶瓷多层防隔热结构在热力耦合作用下的温度场和应力场。由于要考虑辐射的加入,所以建立的是结构的完整模型。对整体进行网格划分并在连接件处加密处理。利用直接耦合解法进行热力耦合分析。采用由航天器再入实际载荷简化的温度加载,对建立的完整结构模型进行模拟并分析结构的温度场、应力场。最后验证了本文研究的陶瓷多层防隔热系统可以满足使用要求,最终隔热层背面的温度只有50℃;防热层最大应力为185.6MPa,小于氮化硅材料的抗拉强度200MPa,隔热层的最大应力小于6MPa,对于增强的二氧化硅气凝胶材料来说,完全能达到要求;连接件的最大应力为600MPa,发生在连接件和防热层接触处的顶角位置。
　　分析了防隔热结构的整体位移场分布,得出了陶瓷多层防隔热与其他结构配合使用时的预留缝隙量,三个方向的预留量为X=0.72mm、Y=0.471mm、Z=0.54mm。
　　介绍了有限元分析软件ANSYS的优化设计模块,利用该模块对防隔热系统的隔热层和基体层厚度进行了优化,在隔热层厚度25.1mm,基体厚度2.75mm时,隔热层背面温度为143.5℃,小于基体铝合金的可承受温度。

目录

多层防隔热系统热力耦合计算机模拟

THERMAL-STRUCTURE COUPLED COMPUTER SIMULATION OF MULTILAYER PROTECTION/INSULATION SYSTEM

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 多层隔热系统概述

1.2 有限元法与ANSYS

1.3 多层防隔热模拟研究现状

1.4 多层隔热结构热力耦合研究现状

1.5 本课题的主要内容

第2章 多层防隔热系统分析的理论基础

2.1 传热学

2.2 热应力

第3章 多层防隔热系统加热阶段的热力耦合

3.1 分析模型及参数选择

3.2 加热阶段的温度场

3.3 加热阶段的应力场

3.4 本章小结

第4章 多层防隔热系统保温阶段的热力耦合

4.1 保温阶段的热分析

4.2 保温阶段应力分析

4.3 本章小结

第5章 多层防隔热系统的优化设计

5.1 优化设计概述

5.2 ANSYS优化设计

5.3 优化设计过程

5.4 多层防隔热结构优化设计

结论

参考文献

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致谢