轻质结构与热防护理论

《轻质结构与热防护理论》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、轻质结构及热防护理论姓名：马向锋班级：3038学号：3113084003航天方向热防护理论及轻质结构进展报告摘要本文在阅读相关文献的基础上，归纳整理出热防护理论与轻质结构相关的论文的研究进展。文中包含热防护理论基础、热防护系统的研究进展以及热防护材料方面的内容。介绍了轻质结构方面的几种结构。关键词热防护理论，热防护系统，轻质结构1热防护理论介绍与发展1.1传热学基本理论热量传递方式主要有三种基本形式：分别为导热、对流换热和热辐射。导热是指物体内部或不同物体之间通过分子、原子、电子等基本粒子的热运动来传递热量的过程。导热不仅可以发生在固体之间、液体之间、气体之间，也可以在

2、不同状态、不同的介质之间进行热量的传递。对流换热是指在不同温度流体之间由于相互之间的流动而产生的热量交换的现象，对流换热不仅可以发生在流体之间也可以发生在流体与固体之间。影响对流换热的因素很多，包括流体的密度、流体的粘度、流体的定压热容、流体的流速，物体的特征尺寸、表面粗糙度等都会对流换热的强度产生一定的影响，所以通过数值计算来模拟对流换热还是很复杂的，尤其对于相对复杂的结构。热辐射是指由于物体向外福射电磁波从而向外传输能量的过程。对于辐射换热来说，物体本身的温度，表面的辐射特性以及物体间的相对位置都会影响辐射换热的强弱。在实际工况下，物体与物体之间的热量传递过程往往是

3、非常复杂的，这三种换热方式同时伴随发生的。所以在分析中应该分析清楚所研究的过1程属于哪种传热方式，再按着这种传热方式进行数值计算。同时我们要注意到，当某一种传热方式与其他传热方式相比很微弱时，我们在计算过程中往往会忽略这种传热方式，但这种方式不会对整体的计算结果产生很大的影响。对于导热过程而言，主要分为广义热传导即傅里叶传导和非傅里叶传导两大类。由于它们的适用条件不同，所以在计算过程中我们要选择合适的热传导理论来解决问题，由于非傅里叶传导主要适用于极短时间内（皮秒或飞秒量级）的瞬态热传导，在工程上还是以傅里叶传导为主。1.2热防护研究方法当前对于热防护问题的研究手段主要

4、有实验和数值计算两种方法。这两种方法各有利弊，实验方法能够真实地模拟热冲击的过程，得到更接近真实工况的结果，但是实验成本高昂且对实验设备要求较高，尤其是针对高温高压环境的情况。通过实验方法进行研究较为困难。而针对热防护问题的数值计算主要有有限元法和有限体积法。借助于成熟的有限元商业软件ABAQUS、ANASYS、COMSOL等可以较好地模拟热冲击过程。数值计算的主要问题是要建立合理的力学模型以及施加合理的边界条件。尤其，施加的边界条件是否合理，会直接影响到数值计算结果的准确性1。1.3热防护分析理论与分析计算的发展近年来，在热防护技术相关领域的分析理论与分析计算方面取得

5、了不少成果。Martinez等发展了一种微机械方法将ITPS（Integratedthermalprotectionsystem）均匀化，等效成2D模型以减少计算量。Gogu等对ITPS的使用材料进行优化选择，将6个几何变量进行插值简化成两个无量纲的变量。马忠辉等根据TPS热防护系统设计涉及到的多种结构形式、传热机理以及复杂的防热结构/材料的合理布置等特点，对整个热防护系统进行了设计与性能分析及典型防热结构的设计与性能分析。赵剑等给出了一套高温合金金属热防护系统的初始设计方案，进行了金属热防护系统各功能层选材；给出了金属蜂窝材料的宏观力学性能和导热性能的等效方法，提出了

6、采用迭代分析方式实现的金属热防护系统隔热2层尺寸优化设计。刘振祺等同时考虑热传导和热分析两种传热形式对温度场的耦合作用，利用热流量守恒建立了蜂窝芯层温度场的非线性积分方程，离散后利用数值方法得到方程组的数值解，并与美国兰利研究中心的实验结果对比基本吻合；并根据温度场和近似应力分析模型，讨论了稳态情况下蜂窝芯层应力。陈立明等提出了一种轻质多层热防护结构设计方案，使用差分法求解方程，进行一维非稳态的传热分析，并采用ABAQUS进行验证；提出以热防护结构的总重量为目标函数的优化设计方法，得到了多层结构的最优几何参数。李东辉等建立了高温多层隔热结构传热计算模型，对多层隔热结构的

7、瞬态传热及热响应进行了数值模拟分析。周祥发等研究了新型隔热材料二氧化硅气凝胶的结构与性能，并进行了瞬态传热模拟和实验测量。孙陈诚等以超薄纳米隔热材料为间隔物、金属箔为反射层制备了多层反射纳米隔热材料，通过实验改变隔热材料的组合结构测试其隔热效果2。2热防护系统与热防护材料的进展热防护系统（Thermalprotectionsystem，简称TPS）是各国正在研制的可重复使用于航天空天飞行器上的关键部件之一。航天器的热防护系统是指使用特定的热防护功能材料，通过一定的散热和隔热措施，使航天器的内壁温度保持在允许范围之内。因此，热防护系统和热防