金属热防护系统边缘热短路的有限元分析.doc

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1、金属热防护系统边缘热短路的有限元分析解维华"国家863项目资助（2004AA724031）解维华（1978-），男，博士生。联系地址：哈尔滨市南岗区一匡街2号哈工大科学园A座3010信箱，联系电话与传真：0451-86418172；电子邮件：michael@hit.edu.cn，张博明，杜善义，戴福洪（哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所，哈尔滨150080）摘要：金属热防护系统具有轻质、耐用、可操作性、低成本等特点，是最有发展潜力的防热结构。本文基于再入的典型工况，建立了支架、套管的三维有限元模型，算例表明建立的有限元分析方法正确、可行。利用二维有限元模型计算了缝隙宽度

2、和辐射系数对缝隙辐射的影响，算例表明减小板间缝隙是消除缝隙辐射的最有效方法。边缘热短路分析得出的结论可用于金属热防护系统的整体分析设计。关键词：金属热防护系统；热短路；有限元分析；重复使用运载飞行器（RLV）是航天领域具有前瞻性、战略性的技术，是降低运输费用、提高操作效率的一种十分有效的途径[1]。为了节省低地球轨道有效载荷的发射费用，金属热防护系统被认为是重复使用运载飞行器(RLV)隔热部分的最主要部件。对于金属热防护系统而言，最为主要的两个部件就是面板和隔热毡，提高防热性能最明显的方法就是研制一种更为有效的隔热毡。比如可以设计轻质的多层隔热毡[2]。在板的边缘，由于

3、金属连接件的传导和板间辐射引起的热短路可能会使得热量先于通过隔热毡中心的热脉冲到达机身结构，如果机身结构材料具有较高的热扩散率，那么由热短路传下来的热量会很快的扩散到整个结构；但是，如果热扩散率较低，那么机身中防热板边缘下方的温度就会高于其他位置的温度，那么就须要根据热短路设计结构的尺寸。如果根据热短路设计结构的尺寸，那么远离边缘的结构温度就会小于限定的结构温度，致使结构不能充分利用其热容，使得设计的结构较厚、较重，因此在对热防护系统的评价、设计中，对于一些可能会引起热短路效应的零部件的研究分析是非常重要的，尽管他们相对而言并不是热防护系统的主要部分，但是他们会直接影响

4、到热防护系统的整体性能。目前国内对金属热防护系统国外的研究进展不少的报道，但仅局限于综述性的介绍，对于金属热防护系统主要部件或整体的综合评价分析很少，特别是对于传热分析中容易忽略的热短路问题的研究更是缺乏。本文基于VentureStarTM金属防热系统基本结构，利用通用有限元分析软件ANSYS，建立了对于支架和套管的有限元分析方法，同时也对缝隙辐射进行了分析，为未来的研究给出了一些重要的结论和借鉴方法。1、支架的分析设计对于典型的改进型金属热防护系统而言，其防热主要是靠外部的蜂窝夹芯板，利用填充在内部的隔热毡进行隔热，保证内部温度不超过设定的温度极限。飞行中的气动载荷主

5、要通过表面的蜂窝夹芯结构承担，并通过四端的支架传递给底部的框架结构。整体结构中绝大部分区域都填充有隔热毡，能够对底部的结构提供热保护；但是四个角及边缘（如图1、2所示）却存在热短路问题，这里的热短路是指边缘或连接处上下表面间无隔热层，热量直接由外部表面通过传导或辐射传到机身。图1改进型金属热防护系统图2热防护系统整体及局部结构示意图支架作为蜂窝板与底部框架的连接部分，它的主要职能包括：(1)、提供外部蜂窝结构与内部钛合金框架的连接；(2)、限制外部热表面与内部的热传导；(3)、协调外部蜂窝板与内部合金框架的变形。(4)、传递来自外面的载荷。因此支架的设计中必须考虑传热和

6、承载方面的对立协调。从承载角度考虑，支架必须具有足够的强度和刚度：强度太低，则结构很容易被压坏；刚度太低，则变形过大会引起隔热毡的永久压实变形。从降低质量和传热角度考虑，截面尺寸要小，必须保证不能有太多的热量通过支架传到内部，同时也要尽量减小内外温度不同而引起的热应力。为了满足以上要求，设计的支架考虑采用如图3(a)所示的几何结构形式，支架中间内凹的半圆柱壳作为加强件，防止结构失稳，提高了支架的抗压能力，两端由于没有加强件，具有一定的韧性，可以协调膨胀变形。四个支架的安装方向与以板心为圆心的圆柱相切，协调了蜂窝板的挠曲变形。综合上述要求，支架的分析设计应采取如下四个步骤

7、：（1）首先根据热防护系统的极限温度要求，建立传热模型进行传热分析，计算面板和隔热毡的厚度，从而得到初始设计尺寸。对如图1所示的金属热防护系统传热分析时，一般采取如图4所示的二维有限元模型[3]，以典型的再入热流密度历程[4]为气动热边界条件。利用对称性，减少了一半的计算量，在模型的下边界及左侧施加绝热边界条件。（2）进行结构分析，以支架的厚度和宽度为设计变量，计算满足变形和强度要求的最小尺寸；（3）根据优化尺寸进行高温下的热应力分析；（4）最后进行整体的传热分析，得到最佳尺寸。图3支架的有限元模型(a)及冷态应力分布（b)图4金属热防护