集承载和热控于一体的多功能结构研究

本项目以近空间飞行器系统中将要应用的多功能结构为研究对象，开展集成电源、热控和结构于一体的多功能结构的若干关键问题研究，包括多功能结构电源/热控/结构的协同设计；纤维柱夹芯复合材料结构的优化设计和制备工艺研究；纤维柱夹芯结构的变形行为、屈曲特性及动态响应特性研究；纤维柱夹芯结构的损伤机理和失效破坏研究；空间锂离子电池的电性能研究；多功能结构的导热特性研究；多功能结构的可靠性评价研究等。其目的是制备出高比强、高比刚、高质量比能量电池、高体积比能量电池、导热性能优异的超轻多功能结构，解决超轻多功能结构研制中的若干关键技术，以满足未来飞行器系统对多功能结构的需求。本项目研究成果如在近空间飞行器系统中得到应用，不仅可以有效地减轻飞行器的重量，增加有效载荷，同时也可以提高其使用性能和可靠性。

本项目以近空间飞行器系统中将要应用的轻质结构为研究对象，开展热力载荷作用下轻质结构的若干关键问题研究。.(1)考虑材料的比强度、比刚度要求，对复合材料点阵结构进行了优化设计，重点考虑了复合材料面板的铺设顺序和厚度、纤维柱的长度和半径、纤维柱的分布、纤维柱与面板的连接方式等情况，以确定力学性能的最优结构形式。.(2)研究了复合材料点阵结构的一体化成型工艺和二次成型工艺，并根据优化设计方案制备了系列点阵结构，包括金字塔型、四面体型点阵结构。复合材料点阵结构件制备时要考虑夹芯层内微型热管的埋设。.(3)通过破坏性实验，研究了复合材料点阵结构的失效机理和破坏模式，确定了纤维柱、复合材料面板及芯子与面板界面的破坏准则。通过观察复合材料点阵结构的破坏模式，建立了结构失效演化的分析模型，采用数值方法分析了结构在外载荷作用下的失效破坏过程。.(4)在典型准静态载荷作用下，研究了复合材料点阵结构的变形行为。平压载荷下，给出了点阵结构的平压刚度和强度；剪切载荷下，给出了点阵芯子的剪切刚度和强度；侧压载荷下，研究了复合材料点阵结构的屈曲行为，包括面板和纤维柱的屈曲，绘制了相应的结构失效机制图；三点弯曲载荷下，分析了复合材料点阵结构弯曲和剪切变形，绘制了相应的结构失效机制图。.(5)在动载荷作用下，研究了复合材料点阵结构的冲击行为及振动特性。针对冲击问题，研究了冲头速度和作用位置对复合材料点阵结构冲击响应的影响，并预报了冲击后点阵结构的剩余刚度和强度。针对振动问题，提出了改进的折线模型，采用该模型分析复合材料点阵结构的固有频率和振型。.(6)研究了复合材料点阵结构的传热特性，包括埋设微型热管前后的热传导行为，给出了热载荷作用下结构内部的温度场分布。在此基础上，采用有限元方法分析了热-机械载荷作用下复合材料点阵结构的热-力耦合特性，给出结构内部的变形场、应力场及结构失稳的临界载荷。此外，还研究了温度场及热暴露时间对复合材料点阵结构力学性能的影响，揭示了复合材料点阵结构力学性能随温度和热暴露时间变化的规律。.(7)制备了典型的轻质结构样件，并与已有的轻质结构进行了对比分析，发现本项目制备的轻质复合材料点阵结构在低密度区就有优异的力学性能。