复合材料层合结构减重优化与瞬态传热分析方法

摘要

本论文致力于结构超轻质和热防护的分析与设计，基于有限元分析，研究复合材料层板材料/结构协同设计方法和金属热防护结构瞬态传热分析技术，建立了实用高效的分析与设计流程并编写了相应的计算程序以及参数化有限元脚本。 降低结构重量、提高有效载荷一直是飞行器设计追求的目标，目前飞行器业已进入金属/复合材料混合结构时代，因此开展复合材料结构减重设计对于提高飞行器性能具有重要意义。本文充分发挥复合材料可剪裁性优点，基于有限元仿真，通过复合材料细观力学建立单层宏/细观定量依赖关系，将材料与结构特征参数同时纳入优化空间，提出复合材料层板材料/结构协同设计新方法。根据结构几何与承载形式，分别提出多级优化策略和改进遗传算法两种优化求解方案。优化算例表明，本文设计方法能够进一步挖掘结构承载潜力，有助于获得全局最优轻量化结构形式。 发展先进热防护结构形式是高超音速飞行器研制的迫切需要，而精确数值模拟是研究热防护结构传热性能的有效途径，是开展其优化设计的基础。本文以多层金属热防护结构[BlosserML.2000]为研究对象，建立有/无辅助结构(支架、周围壁板等)热防护系统三维参数化有限元模型，完成气动载荷下结构瞬态传热分析。模型求解时发现，大面积蜂窝夹层结构精细有限元模型是模型求解的瓶颈，故研究蜂窝芯结构传热特性，提出其等效热物性参数计算方法，将其简化为均质板，建立热防护结构易求解等效传热模型。均布和非均布热载算例表明，实际和等效热防护结构的温度随时间响应吻合很好，验证了等效计算模型的准确性。这一等效模型的提出能快速实现大面积工程热防护结构的热计算，对于研究实际大规模工程热防护结构的热性能具有应用价值。 本论文工作对寻求满足苛刻服役环境下的结构合理解决方案具有一定的工程应用价值。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

第二章复合材料弹性性能表征计算方法

第三章复合材料层板材料/结构协同减重优化设计

第四章蜂窝结构等效热传导系数计算及温度场分析

第五章金属热防护结构瞬态传热分析技术

第六章总结与展望

参考文献

致谢

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