力学大会2015集复基于非概率可靠性的一体化热防护系统优化

曹市城，（航空航天大学航空科学与，热护统结过载的防护统计明优（1结兼承力承重能；（）挥料度力；3减各件力；4减()连()刚条夹芯防结方案其特处采i纤增合料覆化增热障（隔条以90顺芯热刚夹结压进瞬结体载结过顺应结承设计统量。引随着高超声速飞行器在出入大气层或持续在空间飞行时，将严苛的气动加热载荷。气动热能使结应力减少以致发生蠕变，而结构部件之间的相互约束，在热载荷作用下，又将在结构中产生应力从而使变形加剧，同时温度的交替变化也会激起结构的热振动以及颤振。热防护系统能够有效地阻滞热流从其表面进飞行器热防护技术发展至今出现了多种飞机的防热瓦热机制的次认识还难以跟上高速飞行器的发展需求，从国内外热防护技术的发展情况来看，热防护系统研究正在向“防热－承载－结构功能”和集成化、低成本与高结构效率的方向发展。这种设计具有明显优势：（1）结构兼有承力、承热境等客观存在的不确定性，用区间、模糊等非概率数学定量化不确定性，根据不确到了多层结构的最优几何参数。[2]根据热防护系统设计涉及到的多种结构形式、共注射工艺了防隔热/承力、材料/结构热防护结构，并分析了缝纫结构对力学性能的影响，以及由其构成的热通道对防隔热性能的影响。[5]等对波纹夹芯+隔热热防护系统，建立了传热与热力耦合分析方法，分析了波纹夹芯+隔热热防护在热载荷、静力载荷以及耦合载荷下的响应特性，说明了波纹夹芯+隔热\*(1)等对波纹夹芯+隔热热防护系统，建立了传热与热力耦合分析方法，分析了波 界载荷的影响。设计并加工了热防护的面板。开展了800℃的高温防隔热性

λ2T

ρctλx

y

第一类边界条件：规定了沿着导热物体边界面上的温度

fx,y,z,t q qq

q(x,y,z,

第三类边界条件：规定了边界面上的换热状态ww

γxy,γ

G （λ

β(T)F

(T)F0\*MERGEFORMATβ β

β β

(T)F 参照相关文献中飞行器的热环热流密度曲线为此次计算的气动热载用前处理软件对结构进行六面体网格划分，导入ANSYS中进对结构进行瞬态传热时刻的温度场过顺应力场计算历程为1800s计算的结果云1800s的时间历结构的温这是因为随着热流的输热辐强开过应为716.544，最大应力为276.23MPa结果如下图所示：图1悬体化热防护结构几何模型图图1NODALSUB=1 SMNSMXDEC12YZ 图3150s温度分布11NODALSUB=1 SMNSMXDEC12YZ图4800s温度分布11NODALSUB=1 SMNSMXDEC12YZ图5800s温度分布11NODALSUB=3 DMX=.064227SMNSMXDEC12YZ图6800s应力分布11NODALSUB=5 DMX=.103597SMNSMXDEC12YZ 图71000s应力分布11NODALSUB=9 DMX=.182341SMNSMXDEC12YZ 不确定性分

图81800s应力分布Ku

Kkij)nn是刚度矩阵uui)n是节ffi)n是节点载假设结构参数，如物理，材料和几何特征为不确定参数，可以记为bbb,…b 。刚度矩K和结构载荷f都是不确定结构参数矢量bbi的函数。平衡方程K(b)uf \*MERGEFORMAT基于扩展不确定度的模糊估计思想，不确定结构参数估计的区间将被确定 \*MERGEFORMAT bb+b b=bb b=bb，b=b \*MERGEFORMAT mui(bc)δb

\*MERGEFORMAT从\*MERGEFORMAT(14)中看到，区间响应的估计，将由区间扩张获得。juI(b)u(b)ui(bc)bI j

juubui(bc) j

和uub

jui(bc) \*MERGEFORMATj

\*MERGEFORMAT其中MmijCcijKkij分别是质量，阻尼和刚度矩阵F(tfi(t是外部载通过有限元分析，质量矩阵Mmij，阻尼矩阵Ccij，刚度矩Kkij部载F(tfi(t全都由结MM(b)(mijKK(b)(kij

CC(b)(cijF(t)F(b,t)(fi(b, \*MERGEFORMAT(18)可以被改写 \*MERGEFORMAT根据(12)和\*(13)，动力学相x(t也可以以区间形式给i \*MERGEFORMATi

i1, \* 用级数将关于bc的动力学相应xi(b,x(b,t)x(b,t)

j \*MERGEFORMATj

利用区间数学计算，由(23)，jxI(b,t)x(b,t)xi(bc,t) \*MERGEFORMATj

经过区间操作后，从上面的，很容易获得动力响应的上限和下限，mxi(bc,t)bxi(b,t)xi(bc,t)

i1, 和mxi(bc,t)bxi(b,t)xi(bc,t)

i1, 对于线性应力强度非概率模型，区间变量所形成的n维区域被失效曲面分成安全域和失效域，Rs3=Vsafe \*MERGEFORMAT取二变量形式进行分析可知，此时的体积V表现为面积S形式，几何形式如图92R=safe=safe=1-(1 11 2 bSu-aVV

1118ab111

图9应力-强度发

优化问题表述为

图10优化算法框架 ( ,X )( loadi)2x x

x3imaxx*ix3 ( ,X )( loadi)2

表1设计变量变化范设计变取值范设为为离散变量，通过优化计算得到了热防护质量函数的最小值，从而实现了轻 共注射RTM承载/隔热/防热复合材料，尹昌平[D].长沙:国防科学技术大学, 范绪箕.速飞行器热结构分析与应用［M］．:国防工业 杨世铭，陶文铨．传热学［M］．第3版．:高等教育MyersDE，MartinCJ，BlosserML．Parametricweightcomparisonofadvancedmetallic，ceramictile，andceramicthermalprotectionsystems［C］/NASATechnicalMemorandum，LangleyResearchCenter，Hampton，Virginia，2000，NASA/TM-2000-210289．PoteetCC，Abu-KhajeelH，HsuS-Y．Preliminarythermal-mechanicalsizingofametallicthermalprotectionsystem［J］．AIAAJSpacecraftands，2004，41(2):173-Non-probabilisticreliabilityDesignofIntegratedThermalProtectionSystemwithRigidInsulationBarsIntegratedthermalprotectionsystems(ITPS)aremulti-functionalstructuresthatcombinethefunctionsofconventionalTPS(heatshields)andloadbearingstructuralpanelsofahy icvehicle.Becauseofitscomplexdesign,anITPSpanelcouldfailduetomultiplefailuremodes.ThispaperfocusesonuncertaintycharacterizationanduncertaintyinfailurepredictionofanITPS.InthispapertheITPSis yzedunderthermalload(heatflux)whichisoneofthecriticalloadsduringreentryofhy icvehicles.TheITPSgeometryparametersareinitiallyoptimizeddeterministicallyforminimummass.UnderthermalloadsanITPScouldfailduetoexcessivefacesheettemperature,stresses,orbuckling.Hence,thefacesheettemperature,stressesandbucklingloadsareusedasconstraints.Theseconstraintsarealsotheresponseparametersintheuncertaintypropagationandprobabilityoffailureestimation.Withtheoptimizeddesign,uncertaintypropagationintheresponsesduetoinputuncertaintiesisstudied.Theprobabilitiesoffailureduetouncertaintysuchasvariabilityingeometricdimensions,materialpropertiesandload,anderrorinmodelingandsimulationarepredictedforthedifferentfailuremodes.Bootstrapmethodisemployedtoevaluatetheerrorinthepro