高超声速飞行器热结构分析与评价方法

高超声速飞行会带来显著的气动加热问题，因此在高温环境下能够完成承载功能的热结构是高超声速飞行的关键技术之一。针对热结构开展分析与评价，研究人员旨在建立高温服役环境下热结构及其力学行为的分析模型与预测方法，为热结构的设计、考核提供量化的基本依据。这一研究领域的基础是高温固体力学，又与材料科学、计算力学、应用数学密切相关。《高超声速飞行器热结构分析与评价方法》围绕这一主题，侧重于准静态热载荷／力载荷下热结构行为的建模分析，介绍其基本框架和要点，并对材料损伤与失效、多场耦合、不确定性量化及模型有效性等重点问题展开论述。

目录
丛书序
前言
第1章热结构的概念与特性1
1.1高超声速飞行器热结构概念1
1.1.1服役环境与载荷2
1.1.2一般的设计要求3
1.1.3热结构材料5
1.2典型飞行器及其热结构的发展历程6
1.2.1早期的高速飞行器及其热结构7
1.2.2天地往返飞行器及其热结构9
1.2.3吸气巡航飞行器及其热结构14
1.2.4助推滑翔飞行器及其热结构19
1.3热结构的关键特性22
参考文献23
第2章热结构建模与分析的基本方法25
2.1热结构建模分析的要求25
2.2热力耦合分析理论28
2.2.1守恒方程28
2.2.2传热分析29
2.2.3热应力分析32
2.2.4耦合方法33
2.3热结构有限元建模分析要点33
2.3.1有限元建模分析流程34
2.3.2常用单元的选取方法37
2.3.3复合材料热结构分析要点39
2.3.4常见的建模与分析误区43
2.4建模分析难点与方法进展45
2.4.1热结构建模分析的难点45
2.4.2建模分析方法的主要进展47
参考文献48
第3章复合材料热结构损伤与失效分析方法50
3.1损伤失效力学理论与数值方法50
3.1.1损伤力学方法51
3.1.2断裂力学方法54
3.2宏观尺度非线性损伤与失效分析61
3.2.1拉压双模量模型61
3.2.2基于热力学的损伤模型68
3.2.3唯象强度判据79
3.3跨尺度建模与多尺度方法82
3.3.1渐进均匀化基本原理85
3.3.2协同多尺度分析框架90
3.3.3宏观和细观跨尺度关联关系92
3.3.4基于SCA求解加速策略102
3.4分析案例106
3.4.1CSiC T形接头损伤演化分析106
3.4.2CC开孔板的拉伸破坏多尺度分析112
参考文献117
第4章高超声速多场耦合行为与分析120
4.1气动热力环境与热防护材料的耦合行为122
4.1.1共轭传热与材料热物性123
4.1.2材料表面催化效应123
4.1.3材料表面氧化效应125
4.1.4材料表面烧蚀126
4.1.5材料表面辐射128
4.2高超声速流动传热与材料响应数值分析方法128
4.2.1空间耦合方案与策略129
4.2.2时间耦合方案与策略130
4.3高超声速流动传热与响应耦合影响因素分析132
4.3.1催化效应的影响132
4.3.2氧化层对耦合传热的影响136
4.4典型热结构的复杂耦合机制影响案例139
参考文献150
第5章热结构分析的不确定性量化153
5.1不确定性量化的任务153
5.1.1不确定性来源154
5.1.2不确定性量化156
5.2不确定性的表征157
5.2.1不确定性的表征理论157
5.2.2小样本下的不确定性表征161
5.3不确定性传播方法163
5.3.1MonteCarlo模拟165
5.3.2多项式混沌展开法166
5.3.3多层级问题170
5.4参数灵敏度分析171
5.5高效数值计算策略174
5.5.1不确定性降维174
5.5.2代理模型建模180
5.5.3多置信度方法190
5.6案例：开孔板应变响应不确定性量化192
参考文献200
第6章热结构分析的验证与确认202
6.1模型有效性及验证与确认203
6.2验证与确认的基本框架205
6.2.1V&V方法框架205
6.2.2不确定性下的确认度量207
6.2.3热结构模型确认208
6.3基于贝叶斯理论的模型修正210
6.3.1贝叶斯理论210
6.3.2模型修正方法框架211
6.4后验参数求解214
6.4.1后验参数估计214
6.4.2MCMC算法216
6.5应用案例分析220
参考文献223
第7章热结构失效与可靠性评价225
7.1热结构的可靠性分析225
7.2失效概率与可靠度分析方法227
7.2.1基于抽样的可靠度分析方法228
7.2.2基于极限状态方程展开的可靠度分析方法231
7.2.3可靠度计算程序及算例分析237
7.3非概率可靠度量化方法238
7.3.1区间运算规则239
7.3.2非概率可靠度的求解240
7.4不确定性条件下的结构优化244
7.4.1极值法245
7.4.2和方根法246
7.4.3不确定性方法247
7.5应用案例250
7.5.1一体化热防护系统可靠性优化250
7.5.2扩张段的非概率可靠度分析254
参考文献257
第8章典型热结构分析与评价案例258
8.1航天飞机翼前缘热力耦合分析258
8.1.1层级式建模与分析策略260
8.1.2组合件热力耦合分析263
8.1.3局部面板热力耦合分析267
8.1.4局部开裂分析与失稳判据271
8.2热防护CSiC连接结构损伤分析283
8.2.1CSiC材料力学行为的随机性模拟285
8.2.2CSiC异型件的损伤分析290
8.2.3不确定性量化及模型确认294
8.3梯度喷注支板不确定性分析与设计299
8.3.1超高温陶瓷喷注支板可靠性分析299
8.3.2功能梯度层合复合材料结构喷注支板设计与可靠性分析304
参考文献309
第9章不足、趋势与展望311
9.1面临的不足与挑战311
9.2分析方法发展趋势314
9.3展望： 数字孪生技术316
参考文献319