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金属热防护系统热力耦合性能分析及支架初步设计
作 者: 张雪
导 师: 梁军
学 校: 哈尔滨工业大学
专 业: 工程力学
关键词: 金属热防护系统 热力耦合 辐射—导热 支架设计 有限元分析
分类号: TK124
类 型: 硕士论文
年 份: 2010年
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内容摘要
本文分析金属热防护系统MTPS(Metal Thermal Protection System)的防隔热性能及热力耦合性能,并对支架进行初步设计。MTPS是美国研制重复使用运载器RLV(Reusable Launch Vechicle)的关键技术之一,具有绝热有效、重量轻、容易安装等特点,成为RLV此高温区大面积被动防热的首选防热系统。MTPS的首要作用是限制由外部空间进入内部机体的热流,而作为RLV的结构部件,它的承载能力也必须给予考量。故本文针对MTPS,应用有限元方法分析防隔热性能及其影响因素,并对其重要的支撑结构——支架,进行初步设计,得到应力、位移场等。首先基于传热学的基本原理,对MTPS的防隔热原理进行分析。对隔热材料的热属性进行等效;应用Swann&Pittman理论公式等效蜂窝板热属性,并进行算例验证;应用经典的层合理论,将离散的蜂窝夹心结构等效为3层连续材料,对中间芯子模量采用理论公式等效,采用拉伸法测模量法验证理论公式的正确性。基于以上的方法和原理,建立MTPS三维模型,提出三维下热分析方法。采用该有限元方法,模拟计算MTPS四周包覆金属外皮、引入支架以及板间辐射等情况下的温度场。从热弹性耦合方程出发,采用顺序耦合方法,分析MTPS单件的热力耦合性能。得到上面板中心、结构侧边在整个载荷过程中的位移曲线,及支架等重要承载结构的应力场。由于支架不能承载,需对支架进行优化设计。提出MTPS结构支架设计的三种方案,模拟分析方案一和方案三的支撑形式。由于结构的对称性,为了减少计算量,建立四分之一模型进行模拟分析。对不同支架在热力耦合载荷条件下的应力进行对比,选出较为优化的方案。并提出支架进一步优化设计的方案。
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全文目录
摘要 3-4 Abstract 4-8 第1章 绪论 8-18 1.1 课题研究的目的与意义 8-9 1.2 金属热防护系统的研究现状和分析 9-17 1.2.1 RLV的热防护系统发展特点以及形式 10-13 1.2.2 国外热分析研究现状和分析 13-15 1.2.3 国内热分析研究现状与分析 15-17 1.3 本课题研究内容 17-18 第2章 金属热防护系统防隔热原理 18-32 2.1 引言 18 2.2 传热学基本原理 18-23 2.2.1 导热基本定律 18-20 2.2.2 导热问题数学描述 20-23 2.3 金属热防护系统防隔热原理 23-31 2.3.1 隔热毡热导率预报 24-26 2.3.2 蜂窝结构等效参数预报 26-31 2.4 本章小结 31-32 第3章 金属热防护系统防隔热及热力耦合性能分析 32-52 3.1 引言 32 3.2 金属热防护系统防隔热性能分析 32-40 3.2.1 金属热防护系统模型描述 32-34 3.2.2 简单隔热分析 34-35 3.2.3 考虑侧板影响的热性能模拟 35-36 3.2.4 考虑支架影响的热分析 36-38 3.2.5 考虑支架侧板共同影响的热性能分析 38-39 3.2.6 考虑板间辐射的热性能分析 39-40 3.3 金属热防护系统热力耦合性能分析 40-50 3.3.1 热弹性基本方程 40-42 3.3.2 金属热防护系统热力耦合性能分析 42-50 3.4 本章小结 50-52 第4章 金属热防护系统支架初步设计 52-67 4.1 引言 52-53 4.2 支架设计方案及路线 53-54 4.3 不同支架计算分析 54-65 4.3.1 柔性支架分析 54-62 4.3.2 改变支撑结构的分析 62-65 4.4 本章小结 65-67 结论 67-68 参考文献 68-73 致谢 73
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中图分类: > 工业技术 > 能源与动力工程 > 热力工程、热机 > 热力工程理论 > 传热学
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