基于热传导的阵列式多层热防护结构优化设计.pdf

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1、制造技术研究2016年10月第5期基于热传导的阵列式多层热防护结构优化设计董永朋许小静辛健强屈强张秀菊洪文虎（中国运载火箭技术研究院研究发展中心，北京100076）摘要：基于三维热传导分析理论，对阵列式多层热防护结构开展瞬态热传导分析，获得热防护结构的温度场分布情况。采用数值模拟方法，建立了一套适合于阵列式多层热防护结构的优化设计流程。以热防护结构的重量为目标函数、热防护结构中各个零件的尺寸为设计变量，完成了热结构重量的优化设计。经过优化后，阵列式热防护结构的重量减少了18.0%，减重效果明显。关键词：热传

2、导理论；阵列式多层；瞬态热传导；优化设计OptimizationDesignofArrayMultilayerThermalProtectionStructureBasedonHeatTransferAnalysisDongYongpengXuXiaojingXinJianqiangQuQiangZhangXiujuHongWenhu(ResearchandDevelopmentCenter,ChinaAcademyofLaunchVehicleTechnology,Beijing100076)Abstra

3、ct：Basedonanalyticaltheoryofthreedimensionheattransfer,thefiniteelementmodelwasestablishedtosimulatethetransientheattransferofthearraymultilayerthermalprotectstructure(TPS).ThetemperaturefieldsoftheTPSwereobtained.Thenumericalmethodwasusedtosetupaoptimizat

4、iondesignprocessthatwasfitforthearraymultilayerTPS.Furthermore,theoptimizationdesignofTPSweightwasprocessedtoacquiretheoptimizedresults.Thedesignvariableswerethesizesofeachpartofsubassembly.Comparedwiththeformer,theresultwassatisfactoryandtheweightofthearr

5、aymultilayerTPSwasreducedby18.0%.Keywords：theoryofheattransfer；arraymultilayerTPS；transientheattransfer；optimizationdesign1引言了一种轻质的热防护结构设计方案，完成了热防护结构的一体化优化设计研究；Kumar[3]等对多层热防护系高超声速飞行器再入大气层过程中，需要经受严统进行研究，开展了防热/承载一体化热防护系统的概酷的气动热和气动力等复杂载荷环境的考验，合理可率优化设计；解维华[4]

6、等通过建立有限元模型（FEM），行的热防护结构设计方案，不仅可以抵抗外界环境因实现了金属热防护系统（MTPS）在热载荷和静力作用素的影响，而且可以提高飞行器的安全性和可靠性[1]。下的耦合分析；马忠辉[5]等详细分析了多层隔热结构导相比传统飞行器的热防护结构设计方案，其主要热与辐射的复合换热，采用数值方法对多层隔热结构功能只是防隔热，除了维护自身强度，并不具备承载完成了瞬态传热分析。本文在借鉴前人研究成果的基能力，而多层热防护结构既可以阻止过多的热量进入础上，基于三维热传导理论，采用有限元分析方法，飞行器内

7、部，又具有良好的承载能力，是防隔热/承载对多层热防护结构开展瞬态热传导分析。建立了一种一体化设计的重要选择。国内外许多学者已经对多层适合于工程应用的阵列式多层热防护结构优化设计流热防护结构设计方案开展了一些研究。陈立明[2]等提出程，以阵列式多层热防护结构的总重量为目标函数，基金项目：国家自然科学基金经费资助（11572353，51572298，11502306）；青通过优化算法最终获得满足所有约束条件的最优解，年科学基金经费资助（51602348）。实现了重量最小化设计。作者简介：董永朋（1985-），工

8、程师，工程力学专业；研究方向：航天器热防护结构设计与分析。收稿日期：2016-08-1638制造技术研究航天制造技术1.0412热传导理论0.796329θw当170K＜θw＜1748Khw=a78.4187exp[3.178(θ/1748)]当θ≥1748Kww1a=2pe2.41+7.09637×10ln101325其中：pe为表面大气压强。3优化设计图1热防护结构几何模型3.1有限元模