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摘要
一体化热防护系统(integrated thermal protection system, ITPS)需要同时满足承载与隔热的需求.以波纹夹芯方案的ITPS为例，这需要其连接结构具有较高的力学性能与较低的热导率.而再入环境的工况恶劣，如何合理地设计连接结构是ITPS性能提升的关键.为解决这一问题，综合考虑了再入过程中气动热载荷最大时刻和气动压力载荷最大时刻对应的两种极端工况，以应变能和净传热速率的最小化作为目标函数，将质量作为约束条件，对ITPS的连接结构进行了拓扑优化.随后对拓扑优化得到的构型重新建模并进行了热力耦合分析.结果表明，拓扑优化得到的连接结构与文献中的初始波纹夹芯构型和单一工况下拓扑优化得到的构型相比，上面板的最大位移、下面板的温度和质量均有效降低.由于材料用量的减少和结构复杂度的增加，连接结构在应力水平上有所增加，但仍满足使用需求.这表明了考虑多再入工况的拓扑优化策略可以有效提升ITPS的刚度与隔热能力，缓解结构的热短路效应.随着增材制造等相关技术的发展，拓扑优化在ITPS的连接结构以及其他的热结构设计中具有广阔的前景.
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单位招商局重庆交通科研设计院有限公司; 北京宇航系统工程研究所; 哈尔滨工业大学
