高超飞行器热防护系统概率分析方法研究

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1、高超飞行器热防护系统概率分析方法研究重庆大学硕士学位论文(学术学位)学生姓名：祝文祥指导教师：姚建尧研究员专业：力学学科门类：工学重庆大学航空航天学院二O一七年五月ResearchonProbabilisticAnalysisMethodofThermalProtectionSystemforHypersonicVehicleAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheMaster’sDegreeofEngineeringByZhuWenxiangSupervi

2、sedbyR.YaoJianyaoSpecialty:MechanicsCollegeofAerospaceEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaMay,2017中文摘要摘要热防护系统是高超声速飞行器的最重要的系统之一，在飞行器气动加热的高温恶劣环境下保障飞行器内部的温度条件和系统的结构完整性。在该系统的制造过程中，存在一定的不确定因素，会导致生产出的高超声速热防护系统零件在尺寸、材料性能等方面普遍存在差异，这种差异对热防护系统的可靠性和整体性能会产生影响。为确定参数的不确定性对热防护结构可靠性和整体性能的影响程度，

3、本文针对广泛应用于高超声速飞行器上的刚性陶瓷瓦热防护系统，进行了相关概率分析研究。首先，本文建立了刚性陶瓷瓦热防护系统的参数化模型，并在该模型的基础上，对刚性陶瓷瓦热防护系统进行了高热流密度传热状态下的灵敏度分析，确定了各参数对热防护结构隔热性能的影响程度和性质，以便于在热防护结构的设计、制造等工作中把握重点、降低成本、提高效率。其次，本文结合有限元法和蒙特卡洛法，建立了系统概率热分析模型。在充分考虑热防护系统各层厚度以及比热容、热传导系数和表面辐射率等材料属性参数的不确定性的前提下，结合响应面法等概率分析方法，得到了输出参数的概率分布特性，并对热可靠性进行了评估。在此基础

4、上，提出新的概率设计方法，在满足可靠度的情况下设计出热防护系统的最小厚度，对减小设计的保守性，合理确定陶瓷瓦厚度，减轻系统重量均具有指导意义。最后，本文提出了经过增维处理的精细时间积分（PTI）算法和Krylov子空间法用来代替传统的基于时间差分的直接积分（DTI）方法来解决瞬态热传导问题。通过运用增维方法，瞬态热传导有限元求解方程被转化为它的等效齐次形式，由此避免了矩阵的求逆。在此基础上，运用精细时间积分算法和Krylov子空间法求解了齐次方程组，节省了计算时间，提高了计算精度，为大量概率样本计算提供了可能。文中运用典型刚性陶瓷瓦热防护系统的算例来验证所提出算法的有效性，

5、同时将其计算结果和商用软件ANSYS以及传统直接积分法的计算结果进行了比较。数值结果显示，相比较于传统的直接积分法，增维精细积分算法要更稳定，精度更高，且对时间步长不敏感，而增维Krylov子空间法则更适用于大规模有限元模型计算。关键词：热防护系统，灵敏度分析，概率热分析，增维精细积分，增维Krylov子空间I英文摘要ABSTRACTThermalprotectionsystem(TPS)isoneofthemostimportantsystemsofhypersonicvehicle,whichcanguaranteetheinternaltemperaturecondi

6、tionandthesystem'sstructuralintegrityinhightemperatureenvironment.Duetotheuncertainfactorsinthemanufacturingprocess,TPScomponentsdifferfromeachotheruniversallyintermsofsize,materialpropertiesandsoon.ThisdifferencehasanimpactonthereliabilityandoverallperformanceofTPS.Inordertodeterminethein

7、fluenceofparameteruncertaintyonthereliabilityandoverallperformanceofTPS,thispapermakestheprobabilisticanalysisoftherigidceramictileTPS,whichiswidelyusedinhypersonicvehicle.Firstly,theparametricmodelofrigidceramictileTPSisestablished.Basedonthemodel,thesensitiv