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摘要
功能梯度材料因其内部组分沿着空间位置连续变化,能有效缓解热应力集中等现象,在高超音速飞行器的热防护系统设计中具有良好的应用前景。以金属-陶瓷功能梯度板为研究对象,探讨在不同热环境下功能梯度板热传导、热变形和热应力的变化规律。首先,基于功能梯度材料的幂律分布模型,分析了线性温度场、正弦温度场、热流温度场和非线性温度场四种热环境对功能梯度材料物理特性的影响。其次,基于有限元分层建模思想,通过Python编程建立了功能梯度板的有限元模型。仿真分析了在热流温度场下功能梯度板在不同板厚、陶瓷体积分数指数和热流密度等参数条件下热传导、热变形和热应力的变化规律。最后,探讨了基于参数调控的改善功能梯度板热防护性能的方法。结果表明:用功能梯度材料设计飞行器热防护板时,陶瓷体积分数指数应小于5.0;在热流温度场下,功能梯度板的厚度为7.2～9.0 mm、陶瓷体积分数指数为1.0～2.5时,可实现功能梯度板的轻质和高效隔热;热流密度一定时,调整飞行时间对确保飞行器安全至关重要;热流密度应限制在5～10 mW/mm2以控制功能梯度板的变形。研究结论对于热流温度场下金属-陶瓷功能梯度板的热防护设计具有参考价值。
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