非均匀气动加热下隔热层结构的优化设计

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1、第36卷第10期宇航学报Vol．36No．102015年10月JournalofAstronauticsOctober2015非均匀气动加热下隔热层结构的优化设计1，2222魏东，杜雁霞，石友安，桂业伟(1．中国空气动力研究与发展中心空气动力学国家重点实验室，绵阳621000;2．中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所，绵阳621000)摘要:为获得非均匀气动加热条件下高超声速飞行器不同部位的合适的热防护系统厚度，发展了一种基于网格变形技术(ASD)的隔热层结构优化方法。以高超声速飞行器的复合

2、材料隔热层结构为研究对象，采用有限元法在局部均布热流载荷、三角形均变热流载荷和二次函数热流载荷等作用条件下建立隔热层结构的热固耦合分析模型，提出了基于ASD技术与热固耦合分析相结合的结构轻量化设计方法。结果表明，基于网格变形技术能够快速有效地解决优化过程中的网格自动更新问题，并得到了光滑柔顺的厚度形状曲线，优化后更充分发挥了隔热层结构各层材料的承载能力。关键词:隔热层结构;轻量化设计;网格变形法;热固耦合;非均匀热流载荷中图分类号:TK83文献标识码:A文章编号:1000-1328(2015)10-

3、1108-06DOI:10．3873/j．issn．1000-1328．2015．10．003OptimizationDesignofHeatInsulationLayerwithNon-UniformHeatFlowLoads1，2222WEIDong，DUYan-xia，SHIYou-an，GUIYe-wei(1．StateKeyLaboratoryofAerodynamics，ChinaAerodynamicsＲesearchandDevelopmentCenter，Mianyang62100

4、0，China;2．ComputationalAerodynamicsInstitute，ChinaAerodynamicsＲesearchandDevelopmentCenter，Mianyang621000，China)Abstract:Anoptimizationmethodusingarbitraryshapedeformation(ASD)techniqueisproposedinthispapertominimizethedifferentthicknessesofcompositehe

5、atinsulationlayerforahypersonicvehiclewithnon-uniformaero-thermalloads．Thethermo-structuralcouplinganalysisofheatinsulationlayerforthehypersonicvehicleisstudiedbyuseofthefiniteelementmethod，theeffectofnon-uniformheatflowloadconditionssuchaspartiallyuni

6、formdistributedload，triangulardistributedloadandquadraticfunctionloadonthelightweightofheatinsulationlayerarealsoanalyzed，andlightweightdesignandparameterizationanalysisareproposed．Theresultshowsthatthepresentedmethodcanautomaticallyandrapidlyupdatethe

7、finiteelementsmesheswithoutanychangeofthemeshtopology，theoptimizedsmoothprofileofthicknessisobtained，andtheloadbearingcapacityofmultilayerinsulationcanbeusedmorefullyafteroptimization．Keywords:Heatinsulationlayer;Lightweightdesign;Arbitraryshapedeforma

8、tiontechnique;Thermo-structuralcoupling;Non-uniformheatflowload［1－3］对热防护系统优化设计提出了严峻的挑战。此0引言外，高超声速飞行器热防护系统所用材料不仅要具高超声速飞行器复杂的外形使得大面积热防护有隔音、减振、防腐蚀等性能，而且对其重量和体积［4－6］系统在经受高密度热流加热的同时，许多特殊部位要求也极为苛刻。因此，对非均匀气动加热条如前缘还遭受局部超高密度热流加热，导致不同部件下的热防护系统进行多