陶瓷基复合材料缝合三明治集成式热防护结构高温力学行为与损伤模拟

The development of hypersonic vehicles is one of the most significant strategic needs in our country. The integrated thermal protection structure (ITPS), which integrates both heat insulation and load bearing functions, is the key technology of large-area thermal protection system for aircraft. An experimental system will be established to simulate the typical service condition of hypersonic vehicle with high-precision at high temperature (up to 1400℃). The damage mechanisms and mechanical behavior of ITPS and the panel, core, and stitch will be investigated at high temperature. Then it is necessary to study constituent materials coupled with deformation and damage evolution of ITPS for the purpose of establishing its strength theories and constitutive models. Finally, the macro-microscopic multi-scale model and macroscopic equivalent simplification model of ITPS are built to study the strength failure theory and create the calculation method and tool for transient thermal strength of large area thermal protection system. These research data and conclusions could provide relevant theories and techniques to support the design and optimization of these thermal protection structure, and promote the engineering application of ITPS in the large area thermal protection system of hypersonic vehicle, thus improving the level of national defense and military equipment.

发展高超声速飞行器是我国的重大战略需求之一。将防热/隔热/承载多功能一体化集成的陶瓷基复合材料缝合三明治结构（ITPS）是飞行器大面积热防护系统的关键技术。本项目拟通过搭建高精度的高温力学行为试验平台（最高温度1400℃），模拟高超声速飞行器热防护材料的典型服役环境，研究ITPS及其组分复合材料（面板、芯层和缝线）的高温损伤破坏机制和力学行为，建立性能表征与评价方法；研究该ITPS多组分材料耦合变形和损伤演化规律，建立组分复合材料的强度和本构模型；构建ITPS宏-细观多尺度模型和宏观等效简化模型，研究ITPS的强度破坏理论，建立大面积热防护系统结构瞬态热强度计算方法和工具。研究获得的数据和结论将为热防护结构材料的设计与优化提供理论和技术支持，推动 ITPS 在高超声速飞行器大面积热防护系统上的工程应用，提高国防军事装备水平。

热防护系统（Thermal protection system, TPS）是高超声速飞行器研制中的关键技术之一。热防护材料及结构的发展与创新是推动热防护技术发展的重要环节。全面了解并提高热防护材料和结构在使用中的热力性能，才能满足高超声速飞行器技术发展的强烈需求。因此有必要开展针对性的材料/结构力学性能研究，为结构强度校核、结构载荷分析提供支持。. 本项目通过试验、理论和有限元模拟，对缝合三明治热防护系统的室温、高温力学行为、失效破坏机理开展了深入研究。建立了针对缝合三明治热防护结构及其组分材料力学行为研究的试验测试系统，能够开展最高温度1300℃的大气有氧环境下陶瓷基复合材料长时间高温力学行为试验研究。在此基础上，开展了二维编织面板材料主方向的高温拉伸、蠕变和疲劳试验，较为系统地获得了该材料的高温力学性能数据，揭示了材料的变形机制和损伤破坏机理，以及温度对于材料力学性能的影响。建立了细观损伤演化方程和材料细观结构的代表性体积单元模型；利用均匀化理论，从微观、细观到宏观，逐级向上分析了各组分材料多尺度变形和微结构演化对宏观变形和破坏行为的影响。深入揭示了组分材料及结构在典型高温载荷环境下的失效破坏机理，阐释了细观损伤演化对宏观力学行为的影响规律，建立了组分材料的强度模型和本构关系，准确预测了材料的宏观力学行为和结构强度；建立和发展了适用于工程应用的高效率、高精度缝合三明治结构静/动力学仿真精细分析方法，结合试验与仿真结果，揭示了不同载荷条件下组分材料的承载、变形特征，对具有不同结构参数的一体化热防护结构进行了模拟分析，为缝合三明治热防护结构的工程应用、优化设计提供了计算工具和基础数据支撑。