复杂结构航天器再入三维瞬态传热有限元模拟

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• 论文作者：石卫波 ; 孙海浩 ; 唐小伟 ; 马强 ; 李志辉
• 年：2016
• 作者机构：中国空气动力研究与发展中心;
• 论文关键词：复杂结构航天器 ; 陨落 ; 三维瞬态传热 ; 有限元模拟
• 会议召开时间：2016-10-20
• 会议录名称：第九届全国流体力学学术会议论文摘要集
• 语种：中文
• 分类号：V414
• 学会代码：AGLU
• 会议名称：第九届全国流体力学学术会议
• 会议地点：中国江苏南京
• 主办单位：中国力学学会流体力学专业委员会
• 学会名称：中国力学学会
• 页数：1
• 文件大小：38k
• 原文格式：O
• 会议级别：全国

摘要

在轨服役期满航天器高速陨落再入大气层,在高超声速气动加热作用下将发生金属材料变形软化/失效和复合材料热解/烧蚀,解体成碎片或残留舱体。三维有限元传热模型为金属熔融和复合材料烧蚀模拟提供所需的温度条件。本文采用四节点四面体单元对空间进行离散,依据泛函理论,将传热控制方程离散为代数方程组;利用有限单元法总体合成得到刚度矩阵具有对称正定性、高度稀疏性、非零元素分布的规则性,应用一维变带宽压缩存贮技术,有效解决了大型稀疏矩阵的数据存贮问题;为有效抑制求解过程中出现的温度在时间和空间上的振荡问题,发展集中热容矩阵系数的方法,将热容矩阵的同行或同列元素相加代替对角线元素,新的热容矩阵只有对角线的元素,其余元素均为零。在求解三维瞬态温度场时,构造计算瞬态温度场的两点向后差分格式、Crank-Nicolson格式和Galerkin格式。通过计算验证比较,在相同计算条件下,采用以上三种格式均可获得一致稳定的温度解,并得到与现有ANSYS有限元软件较为吻合的计算结果,确认本文所发展的传热有限元计算可靠性。在此基础上,对低轨航天器薄壳结构进行了传热计算,给出了寿命末期低轨航天器沿小再入角弹道再入飞行时在120km~90km高度的瞬态温度分布。

引文