金属热防护系统蜂窝夹芯面板的有限元分析.doc

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1、金属热防护系统蜂窝夹芯面板的有限元分析栾旭*联系方式：philip@hit.edu.cn，梁军，王超（哈尔滨工业大学复合材料研究所，哈尔滨，150001）摘要：金属蜂窝夹芯结构是可重复使用航天器金属热防护系统的主要子结构，具有重量轻、耐高温、成本低的特点。本文根据修正的Gibson公式与最小势能、余能原理推导出蜂窝夹芯层的9个等效弹性参数。并建立了正六边形蜂窝夹芯板的3维有限元模型，以有限元软件ANSYS为平台，对其芯层力学响应进行数值模拟分析，计算了TPS蜂窝结构的变形。结果表明蜂窝结构的挠度随着外力的增大而增大，最大挠度出现在蜂窝结构的中部，与层合板相比蜂窝结构的最大挠度增

2、大了10倍左右。三维实体模型的建立使结构的精确分析成为可能，为金属热防护系统承载结构的整体分析奠定了基础。关键词：金属热防护系统；蜂窝夹芯面板；有限元分析；前言：空天飞行器以Ma=8的速度在27km高度飞行时头锥处的温度为1793℃,机翼或尾翼前缘的温度高达1455℃。为了不因热载荷及机械载荷的联合作用而受到破坏，在空天飞行器上铺设热防护系统是必不可少的[1]。由于空天飞行器表面不同区域的温度场分布不同，如头锥、机翼前缘为最高温区，机身和机翼的迎风面为次高温区，背风面温度相对迎风面低几百度。因此，针对不同的温区，宜采用耐不同温度的热防护结构，以便把飞行器的重量减到最小，从而达到

3、轻质、高效、可靠、低成本的目的。空天飞行器表面温度的不均匀性，决定了热防护结构形式的多样性。用于空天飞行器可重复使用的热防护结构按其所用材料主要分为三种类型：(1)硬陶瓷防热瓦：包括用于航天飞机的第一代陶瓷防热瓦，以及最新研制的铝纤维增强陶瓷隔热屏等；(2)金属热防护结构：包括支撑式金属热防护结构、钛合金多层防热结构、超合金蜂窝包覆纤维隔热材料组成的金属热防护结构等；(3)可裁剪的柔性隔热毯。硬陶瓷防热瓦具有良好的耐高温性能，可承受1700℃一1800℃的高温。但在重复工作环境下，其主要部位产生脆裂、边缘脱落、过热等现象，不能防水，每次使用后都需要维修和更换，其耐久性和可靠性不

4、高，且其维修周期长、费用高。在完成一次飞行之后，需要花40000工作小时进行维修，维修时间的很大一部分用于陶瓷防热瓦表面的防水处理[2]。可裁剪的柔性隔热毯使用起来虽然不受飞行器表面形状的限制，但它不具备良好的抗气动载荷功能，一般多用于飞行器表面热载荷和气动载荷较低的背风面。与以上两种热防护结构相比，金属热防护结构具有良好的综合性能，其优点是：重量轻，经久耐甩，无需防水，耐高温，抗微流星体和空间碎片撞击，全天候飞行，替换方便，检验和维修时间减少，成本以及重量均可大大降低。美国已成功地将其用于第2代可重复使用轨道运载器(RLV)的迎风面以及低温油箱的壁面隔热中[3-4]。1.蜂窝

5、夹芯面板的等效模量预测对于金属热防护系统而言，最为主要的两个部件就是蜂窝夹芯面板和隔热毡[5]。蜂窝夹芯结构目前已被广泛应用于承力结构，由于蜂窝夹芯结构复杂,各部分都不是连续体,该类复合材料结构的动、静态力学分析和计算一直是人们研究的课题。一般有以下三种方法对蜂窝夹芯结构进行分析：（1）通过实验方法测定各种蜂窝夹芯结构得到刚度矩阵，然后编制各种蜂窝夹芯结构的材料单元库，在与通用有限元程序进行结合。这种方法的难点是需要对各种类型的蜂窝夹芯结构进行测定，由于工艺的原因会使实验数据分散性很大，即使是同类型的蜂窝夹芯结构也要进行大量的试验才能得到可信的测量数据，况且蜂窝夹芯结构的制造成

6、本很高，所以这种方法也不容易实现；（2）等效方法是首先在理论上找出蜂窝夹芯结构的等效力学模型来代替原来结构，从而近似地求出所需的等效力学性能参数；（3）采用三维有限元方法进行蜂窝夹芯结构的分析。这种方法需要进行三维有限元建模，建立合理的边界条件等，理论上讲，结构单元划分的越密，计算结果的精度越高，但是计算量随之增大。无论采用何种方法，首先需要得到芯层的等效模量。1.1芯层的等效弹性模量（1）芯层的在早期的蜂窝夹层结构分析模型中，为了简化分析，蜂窝芯层的面内刚度和弯曲刚度常常被忽略，如Allen模型。虽然蜂窝芯层很软，但由于它相对于面板具有较大的厚度，以此忽略面内刚度和弯曲刚度必

7、然导致不容忽视的误差。Gibson[6]考虑了芯层的面内刚度，给出了蜂窝材料的等效参数（Gibson公式），但是Gibson并未考虑胞元壁板的伸缩变形。Gibson得到的二维等效参数如式（1）：（1）其中，，其他参数如图1所示。为芯体材料的弹性模量。图1蜂窝单元结构图若考虑芯体壁板的伸缩变形，建立如图1所示的坐标系，并假设等效后的均质材料处于均匀的单向拉伸状态，此时，蜂窝材料的等效参数如下：;（2）;对于正六角形蜂窝，，于是，式(2)可以简化为：(3)公式（3）表明，正六角形蜂窝材料具有弱的