溫度交變環(huán)境下防熱結(jié)構(gòu)膠層厚度設(shè)計

《溫度交變環(huán)境下防熱結(jié)構(gòu)膠層厚度設(shè)計》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫。

1、第30卷第4期航天器環(huán)境工程2013年8月SPACECRAFTENVIRONMENTENGn、『EERING421溫度交變環(huán)境下防熱結(jié)構(gòu)膠層厚度設(shè)計李偉杰1，李小龍2(1．北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京100094；2．中國航天標(biāo)準(zhǔn)化與產(chǎn)品保證研究院，北京100071)摘要：再入返回式航天器飛行過程中，在軌溫度交變環(huán)境下防熱結(jié)構(gòu)膠接熱應(yīng)力一直是航天器可靠性設(shè)計的關(guān)注內(nèi)容。文章以“中密度防熱材料一硅橡膠一金屬”的膠接結(jié)構(gòu)作為對象，針對典型的低地球軌道溫度交變環(huán)境，選取士100℃／5個循環(huán)環(huán)境作為分析條件，用ANsYsworkbench

2、建立了結(jié)構(gòu)有限元分析模型，考察了不同膠層厚度對于結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力及熱變形的影響。基于有限元計算結(jié)果、熱應(yīng)力理論及膠接工藝分析，給出了溫度交變環(huán)境下防熱結(jié)構(gòu)的膠層厚度設(shè)計結(jié)果。該有限元模型分析方法可為防熱結(jié)構(gòu)熱匹配特性研究和設(shè)計提供基礎(chǔ)依據(jù)。關(guān)鍵詞：再入航天器；防熱結(jié)構(gòu)；溫度交變環(huán)境；熱應(yīng)力；熱變形；膠層厚度中圖分類號：V414．7：TG49文獻標(biāo)志碼：A文章編號：1673—1379(2013)04一042卜05DOI：10．3969組issn．1673-1379．2013．04．0160引言防熱結(jié)構(gòu)的主要功能是防止航天器在返回地面過程中發(fā)

3、生過熱和燒毀，保護艙內(nèi)航天員的安全和設(shè)備的正常工作，因此它是再入式航天器的關(guān)鍵組成部分【1‘3J。航天器外表的大面積防熱結(jié)構(gòu)一般采用密度相對較低的防熱材料(或稱低密度防熱材料)整體成型，利用一定厚度的膠膜實現(xiàn)低密度防熱結(jié)構(gòu)與內(nèi)部承力殼體結(jié)構(gòu)的連接。另外，根據(jù)總體任務(wù)需要，航天器表面有多種開口結(jié)構(gòu)，為此需要在開口周圍設(shè)計邊緣防熱環(huán)，而開口采用防熱蓋進行防護，防熱環(huán)與防熱蓋一般采用密度相對較高的防熱材料(或稱中密度防熱材料)設(shè)計為單獨成型的零部件，利用硅橡膠膠接于主承力金屬結(jié)構(gòu)表面，形成“中密度防熱材料一硅橡膠一金屬”的結(jié)構(gòu)形式。在防熱

4、結(jié)構(gòu)方案設(shè)計過程中，需要通過再入環(huán)境的熱試驗考核，以確定防熱結(jié)構(gòu)形式與防熱材料厚度。此外，在軌溫度交變環(huán)境下的結(jié)構(gòu)熱匹配特性同樣需要合理設(shè)計。這是因為：防熱結(jié)構(gòu)與主承力結(jié)構(gòu)由于材料基本屬性的差異，尤其是熱膨脹特性，溫度交變環(huán)境下結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生較大熱變形甚至防熱結(jié)構(gòu)的開裂。為此，防熱結(jié)構(gòu)與金屬結(jié)構(gòu)的膠接設(shè)計成為減緩結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力的重要輔助手段?？蒲腥藛T常采用溫度交變試驗以考察防熱層與金屬的熱應(yīng)力匹配特性?？紤]到溫度交變試驗成本高、周期較長，仿真分析成為驗證防熱結(jié)構(gòu)設(shè)計正確性的可行途徑之一?？蒲腥藛T廣泛采用各種燒蝕防熱仿真分析專用工具開展再入環(huán)

5、境的防熱結(jié)構(gòu)燒蝕行為研究，但應(yīng)用有限元仿真分析開展溫度交變條件下防熱結(jié)構(gòu)熱匹配特性的研究相對較少【4。7J。本文以某再入航天器防熱結(jié)構(gòu)作為研究對象，采用有限元仿真分析工具考察交變溫度條件下3種膠層厚度的防熱結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力及熱變形。結(jié)合熱應(yīng)力理論及膠接工藝，綜合分析膠層厚度對于結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力及熱變形的影響，以確定溫度交變條件下膠層厚度的設(shè)計值，并提出防熱結(jié)構(gòu)熱匹配特性研究的工作思路。1結(jié)構(gòu)建模1．1有限元模型以某航天器平板形式的防熱結(jié)構(gòu)(圖1)作為研究對象。該結(jié)構(gòu)主要由防熱結(jié)構(gòu)、粘接膠層、金屬底板3部分組成，其中防熱結(jié)構(gòu)尺寸為350mm×35

6、0mm×30mm：金屬J芪板尺寸為350mm×350mm×2mm；膠層長寬尺寸為350mm×350mm，其厚度有0．5mm、1．0mm、1．5mm三種。由于研究對象為對稱結(jié)構(gòu)，可取其1／2進行建模，膠層位收稿日期：2013—04—19；修回日期：2013—07—16基金項目：國家重大科技專項工程作者簡介：李偉杰(1981一)，男，博士學(xué)位，研究方向為航天器結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析。E．mail：1wjhit@126．com。航天器環(huán)境工程第30卷置網(wǎng)格局部加密，網(wǎng)格化的模型見圖2。1^¨‘?！半-圖1半板結(jié)構(gòu)試驗件Fig．1StI．uct

7、ureoftheplatespecimen一(b)膠層局部加密網(wǎng)格圖2平板結(jié)構(gòu)模型的網(wǎng)格Fig．2Meshoftheplatespecimenmodel1．2材料性能模型涉及的3種材料的性能如表1所示，其中未特殊說明的均為室溫條件下的性能，計算時直接予以采用。高溫及低溫下材料性能的數(shù)據(jù)有限，因此本文計算結(jié)果僅作為考察變化趨勢的參考。表1材料性能Table1Materialspropenies熱導(dǎo)率(I盯①～100℃)／比熱容／線膨脹系數(shù)材料密度／(g·cm一3)拉伸模量／GPa泊松比(RT～100℃)／厚度／mm(W．m～·K．1)

8、(J·蠔～-K．1)(×10‘6K．1)71(RT)金屬底板2．70．32118．092423．5265(100℃)防熱結(jié)構(gòu)1．40．0080．300．3110020．O30膠層1．00．0005O．480．21700230．Ot子注