（含薄层）金属热防护板的非线性瞬态热/力耦合数值计算研究

本课题旨在对高超音速航空器热冲击下典型金属热防护结构非线性多机制耦合传热机理进行研究；突破瞬态方程的传统差分法和以往准静态热力耦合算法模式，发掘瞬态温度场和瞬态结构相互耦合的数值新算法。考虑材料非线性基础上，应用增维精细积分算法对热冲击状态下的热防护系统进行细致结构热力耦合数值原理分析和计算分析；详细研究金属壳体薄层的隔热性能、传热原理和破坏机理；分析材料在高温时非线性因素在传热机理中的作用。在以上分析的基础上，突破以往热应力计算时，仅考虑温度场对于结构影响的单方面作用；及热力耦合计算时的准瞬态计算方法的近似作用；对热防护系统结构进行细致的热力耦合数值计算分析，以获取结构整体及细节部位的热应力水平及其分布规律，并探讨构形的热力效能和构形参数的敏感性；并探讨试验实现的途径和方法，为最终完成强度判断和细节设计技术提供精细定量的理论基础依据、科学分析方法和设计分析工具。

在本基金的资助下首先完成了热防护系统设计中热边界条件的研究；根据参考焓方法推导出了虑及高度、压力、和空气密度等环境变化和飞行速度、飞行迎角等飞行参数的热流计算方程，研究了各飞行参数对于热流计算的影响机制，并对计算结果进行了验证分析。完成了对高超音速航空器热冲击下典型金属热防护结构非线性多机制耦合传热机理的研究；突破了瞬态方程的传统差分法和以往准静态热力耦合算法模式，发掘了瞬态温度场和瞬态结构相互耦合的高阶数值新算法。考虑材料非线性基础上，应用高阶算法对热冲击状态下的热防护系统进行了细致辐射热传导计算分析和结构热力耦合数值分析；详细研究了金属壳体薄层的隔热性能、传热原理；分析了材料在高温时非线性因素在传热机理中的作用。在以上分析的基础上，突破以往热应力计算时，对热防护系统结构进行细致的热力耦合数值计算分析，获取了结构整体及细节部位的热应力水平及其分布规律。根据大量数值计算分析，提出了不同热防护系统的结构形式，给出了各层的选材，给出了不同结构的温度分布和位移。为最终完成强度判断和细节设计技术提供精细定量的理论基础依据、科学分析方法和设计分析工具。.在本基金的资助下，取得了五方面研究成果。（1）理论及学术成果：虑及飞行参数的热防护系统设计的热边界条件计算程序；热冲击下，热传导和辐射耦合的传热机制和耦合能量方程的高阶有限元列式；材料非线性对能量方程的影响以及定量认识；典型金属热防护板的热力耦合数值计算算法；典型金属热防护板的残余应力对性能的影响，并初步建立起一套完整的金属热防护结构设计理论和方法。（2）学术交流：期间参加国际和国内会议与学术交流并做学术报告共 8次，其中国外会议3次；（3）学术论文：在参加学术会议的同时，发表SCI/EI期刊论文6篇和6篇会议论文，具体见附件。（4）邀请专家来访：邀请国外本领域内英国和美国知名专家学者来国内进行学术交流5次。（5）学生培养：在本项目的资助下，现培养有10名硕士研究生，其中2名硕士研究生于2013年3月份毕业；协助培养1名博士研究生于2014年1月15日答辩。另有两名硕士研究生2013年10月均获国家奖学金，所指导硕士研究生2013年3月获西北工业大学优秀硕士论文一等奖。