热防护系统材料与结构一体化设计与评价的关键问题研究

本项目将围绕TPS材料与结构一体化设计与性能评价的关键性基础科学问题，开展系统、深入的研究。研究内容涉及到TPS的材料、基本结构件和大面积TPS结构，三个层次的热传输和热-力耦合模型、计算方法和性能优化算法，实验检测技术，以及TPS 软件研发等。研究目标是：（1）为TPS的基本结构件的综合热传输与热-力耦合性能预测，结构件的优化设计提供一套理论上可靠的计算方法，以及实用的试验检测技术。（2）为TPS材料与结构一体化的热-力耦合行为模拟、防-隔热性能评价与优化设计，以及服役过程中的主动防-隔热方案设计提供一组计算方法。(3) 为TPS设计提供一个初具规模的、集成化的、拥有自主知识产权的、TPS专用的数值模拟软件。为我国空天高超声速飞行器先进TPS的研发，提供可靠的基础理论和技术支持。申请者及其合作者已经在与本项目相近的领域里有丰厚的研究基础和成果积累。

本项目研究了超轻高孔隙率防-隔热材料、TPS结构件和大面积防-隔热结构的试验检测技术，传导-辐射-对流耦合的热传输性能和热-力耦合行为的多尺度数学模型、高性能的计算方法，性能设计的优化算法及TPS软件。四年来，按预定计划开展了研究，达到了预期目标。总计发表论文70余篇，会议论文40余篇；培养博士25人；获得专利7项，软件著作权1项；梁军获国家基金委杰出青年基金；张卫红获陕西省科技一等奖；崔俊芝获苏步青应用数学奖。.取得的突出进展和成果如下.1.对高孔隙率陶瓷材料、TPS结构件与结构的防-隔热、热-力耦合性能及冲击破坏行为进行了实验研究：获得了莰烯冷冻注模成型高孔隙率陶瓷的成孔机制和微结构控制技术，以及不同烧结温度下多孔陶瓷的力学和物理性能；对金属TPS 2X2阵列组件进行了风洞试验,有效评价了防-隔热一体化结构的防-隔热效率；建立了以碳/酚醛材料为代表的防-隔热结构的热-力-氧多场耦合的分析方法，实验表征了烧蚀条件下防-隔热材料高温力学性能的衰减规律；对C/SiC薄板进行了低速和超高速冲击载荷下损伤-破坏的实验研究，确认纤维断裂和基体粉化是其破坏的基本特征。.2.对于高空隙率材料和结构件的传导-辐射-对流耦合的热传输与热-力耦合性能预测建立了多尺度计算模型，二阶双尺度方法及其数学理论，通过算例显示出算法能够有效扑捉微观变化：分别针对空隙表面三种辐射条件的传导-辐射-对流耦合模型，TPS板式结构件的弯曲和热-力耦合模型，在空隙周期性和随机分布的情形下，发展了一套理论上可靠的二阶双尺度方法；对于TPS结构的瞬态热-力耦合方程，基于Laplace 变换，给出了多尺度近似解及其收敛性；对于云状随机高空隙率材料的本构参数预测，发展了一种Richardson外推算法；针对薄壁结构件，发展了一种杂交有限元方法。.3.从支撑件、连接件与TPS集成设计三个层面发展了一套涵盖结构承载、防-隔热与热-力耦合性能的优化模型和多目标优化方法：采用能量法建立了蜂窝微结构等效剪切模量与热膨胀系数的预测模型；发展了考虑刚度-应力匹配的弹性支撑件的构型优化模型、考虑钉载强度的拓扑优化模型，实现了结构刚度、强度、热变形协调的优化设计；建立了替代传统体积约束的质量约束模型，发展了材料布局优化设计方法；系统地发展了带孔薄壁曲面结构的形状优化方法。.4.研发了一个初具规模的TPS-SIMU软件。