随着对高超声速飞行器可重复使用技术的不断研究和探索，具备质量轻、成本低、可承载气动力、易维护更换等特点的一体化热防护系统概念应运而生。论文从结构设计角度出发，对一体化热防护系统的初步设计和其中涉及的热力耦合计算问题进行了深入研究，初步形成了一套较为完整的一体化热防护系统结构尺寸优化设计方法。论文的主要内容包括如下几个方面：
（1）在设计方法方面，提出一套针对波纹夹芯型一体化热防护系统的快速设计方法。该方法利用飞行器的几何外形及弹道数据，结合辐射温度平衡条件，对一体化热防护系统的适用区域进行划分并选择相应的结构材料。为减小计算量，给出了极限设计状态选取方法，在选取的极限设计状态下对一体化热防护结构的几何尺寸进行优化设计。该设计方法中涉及了热传导、结构静力学以及稳定性等方面的计算。
（2）在热传导计算方面，本文提出了一套针对波纹夹芯型一体化热防护的一维热传导半解析计算方法。该方法基于分离变量法和正交分解技术，可以有效求解考虑材料非线性问题以及辐射边界条件的热传导方程。首先将一体化热防护等效为三明治结构，将热传导过程在时间上进行离散，并将辐射边界条件线性化处理。然后利用线性方程组描述传热方程中温度和材料热扩散率沿热防护厚度方向的分布以解决材料的非线性问题，最终得到一组由Bessel方程和三角函数构成的解析解。针对线性方程描述的新形式传热方程，推导并证明了空间变量函数之间的正交关系。
（3）在结构静力学计算方面，本文提出了一套求解矩形波纹夹芯型一体化热防护结构静力学响应的二维有限元计算模型。基于能量理论和Castigliano第二定理，提出一种改进的解析刚度均匀化方法，将热防护等效为三明治板结构，该均匀化方法可以处理材料属性与温度相关的非线性问题。随后针对等效三明治板结构，建立一种满足C0连续条件的高阶多层理论，并推导了相应的有限元计算格式。该高阶多层理论采用一阶位移场描述等效三明治板的上、下面板，而用高阶位移场描述三明治板的芯层，并考虑了芯层的横向变形影响。
（4）在结构应力及稳定性计算方面，本文在上述静力学有限元模型的基础上，结合材料力学方法，提出了一体化热防护结构应力分布计算方法。该应力计算方法考虑了薄壁结构曲率对应力分布的影响，由气动压力引起的局部变形对热防护上面板应力的影响，以及由波纹腹板引起的局部变形对热防护下面板应力的影响。为降低一体化热防护结构屈曲问题的计算量，论文根据波纹夹芯型一体化热防护结构形状周期性分布的特点，建立了简化的三维有限元计算模型，并利用波纹夹芯结构形状对称的特点对简化模型施加位移边界条件。
（5）在结构动特性和动力学特性方面，本文在考虑材料属性随温度变化对结构动特性的影响，以及热应力产生的热变形对结构动特性影响的条件下，利用有限元方法计算了热环境下一体化热防护结构的模态响应，并且在一体化热防护结构发生屈曲变形后的动特性计算中引入了几何大变形假设。根据上述方法的计算结果总结了热环境对一体化热防护结构动特性的影响规律。此外，本文基于Galerkin与Newmark算法，引入了几何大变形假设，提出了一套计算热力紧耦合结构动力学响应的计算方法，利用上述方法总结了热力耦合项对一体化热防护结构动力学响应的影响规律。
最后，本文在对波纹夹芯型一体化热防护系统的设计方法及其中涉及的计算方法进行系统研究的基础上，将其应用于高超声速可重复使用飞行器的热防护初步设计中。通过航天飞机上的ITPS结构优化设计算例和RBCC运载器的ITPS结构优化设计，验证了本文设计及计算方法的正确性。本文研究以期为促进一体化热防护系统在高超声速飞行器中的应用提供一套较好的思路和方法，为可重复使用高超声速飞行器的发展奠定基础。
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在飞机结构中，无论复合材料还是金属材料的加筋板，筋条大多数采用直线形。随着新型飞机结构形式的不断出现，折线形加筋板在飞机结构中的采用逐渐增多。但目前，大多数学者研究加筋板采用直线型加筋板模型，对折线形加筋板力学行为研究较少。本文对轴压载荷作用下的复合材料折线形加筋板屈曲和后屈曲行为展开研究，并提出“数值模拟->试验验证->重要参数敏感性分析->优化设计”的总体研究路线。基于复合材料折线形加筋板模型，经理论分析对比，选择出了合理的屈曲、后屈曲有限元理论，主要包括：1)适用于特征值屈曲分析的线性摄动法；适用于非线性分析的改进的弧长法(Riks方法)。2)对非线性的弹塑性铝合金材料采用了切线模量理论；对非线性的复合材料采用了刚度退化理论。3)材料刚度退化方案采用修正的Hashin失效准则判定失效，然后对刚度进行折减。此外，还编制了用户子程序实现刚度退化模拟。采用四个算例对本文采用的有限元理论进行了验证。基于经过验证的有限元理论，对复合材料折线形加筋板屈曲、后屈曲行为展开分析。通过计算得到了屈曲临界载荷、极限载荷以及反映结构损伤扩展历程的载荷位移曲线，然后通过试验对有限元分析结果进行了验证。采用Python命令流对结构的敏感性进行了分析。得出结构的初始缺陷大小对承载力的影响曲线，提出提高屈曲载荷预测精度的计算方案。针对复合材料折线形加筋板屈曲、后屈曲优化问题展开研究，提出适合本文模型的优化策略，达到结构轻量化的目标。本文的创新点主要包括以下几个方面：
1. 以敏感性分析为基础，提出了一种确定复合材料加筋板合理初始偏移值范围的方法。该方法得出的初始偏移值范围可以为加筋板设计、制造和安装提出合理的允许误差值。该方法还可用来确定其它设计参数扰动对结构主要性能指标的影响。
2. 针对将会广泛应用的复合材料折线形加筋板这一新型结构目前承载力研究较少的情况，在传统的加筋板屈曲、后屈曲有限元理论基础上编制用户子程序，并提出在加筋板达到极限载荷前筋条与蒙皮界面不会出现分层的假定，使得模型得到了合理的简化，在保证计算精度的前提下提高了计算效率。在此基础上，对该结构的轴压力学性能进行了分析研究，模拟结果与试验结果吻合较好。得出值得设计人员借鉴的结论，也为该结构的设计提供了一种思路。
3. 采用Python命令流对结构的敏感性进行了分析，通过分析揭示了初始几何偏移值取值不同对承载能力的影响情况，取加筋板的实测初始几何偏移值可以较准确的预测出结构的承载力，采用允许最大初始几何偏移值次之，采用预先构造的初始几何偏移值最差。
4. 针对复合材料折线形加筋板的模型特点，提出了遗传算法和序列二次规划法相结合的二阶段的优化策略，提高了优化效率。除对筋条、蒙皮铺层厚度和顺序、筋条数量等加筋层合板传统设计参数进行优化外，还对本文模型特有的筋条连接部件材料进行了优化，达到了减重，提高强度的目标。
5. 提出缺陷敏感型结构和缺陷非敏感型结构的合理定义。并指出这两类结构的轴压承载力和载荷位移曲线差别很大，因此对于薄壁加筋结构的承载力分析应进行敏感性的类型判别。
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文案来源丨研究生院
美编丨又清