[发明专利]一种基于概率技术的热防护系统设计方法

摘要

本发明公开了一种基于概率技术的热防护系统设计方法。首先，考虑热随机变量的随机分布，建立热防护系统的参数化模型，其次，利用高效抽样技术生成各种随机输入样本；再次对概率分析中的样本进行瞬态热分析，以飞行过程中热防护系统某一位置、某一时刻的温度特征量为输出变量；随后，以已有的少量样本为基础，建立多项式响应面模型；最后，在响应面模型上再次进行蒙特卡洛直接抽样，得到热防护系统温度特征量的概率分布。该方法实现了热防护系统概率设计，得到了系统可靠度指标和输入随机变量灵敏度，为热防护系统方案设计和优化提供方向；此外，通过高效抽样技术和数值积分算法相结合，大幅提升计算效率，使得本发明提出的方法工程可用。

主权项

1.一种基于概率技术的飞行器热防护系统设计方法，所述热防护系统由多个热防护结构件拼接而成，处于飞行器最外侧，对飞行器内部结构进行防隔热保护，热防护系统外形尺寸与飞行器的外形尺寸一致，所述设计方法的特征在于包括如下步骤：(1)、根据飞行器的外形尺寸和热环境条件，初步确定每个热防护结构的设计参数，所述设计参数包括材料选型、结构形式、几何尺寸，所述热环境条件是指飞行器飞行过程中的气动热流密度；(2)、根据热防护系统中每个热防护结构件的设计参数，确定热防护系统的热随机变量及每个热随机变量的概率分布，所述热随机变量包括几何尺寸，材料的密度、比热容、热导率、不同结构件之间界面热阻、热防护系统表面辐射率；(3)、按照每个热随机变量的概率分布规律，将每个热随机变量的取值范围分为m个等概率区间，对于每个热随机变量，在各等概率区间内随机选取一个值，组成一组样本序列，共得到N个热随机变量的样本序列；(4)、从每个热随机变量样本序列中随机抽取一个样本值，形成所有随机变量的一个样本组合，再从每个热随机变量样本序列剩余的数据中随机抽取一个样本值，形成又一个样本组合，以此类推，进行m次随机抽取，共得到所有热随机变量的m个组合样本，任意一个热随机变量的值在m个组合样本中出现且仅出现一次；(5)、针对步骤(4)所得到的每个热随机变量样本组合，先根据样本组合中几何尺寸热随机变量，对热防护系统的瞬态热分析模型进行网格化处理，得到有限元网格，再根据样本组合中其他热随机变量采用有限元分析工具对热防护系统的瞬态热分析模型进行空间离散，共得到m个以时间t为独立变量的线性常微分方程组；(6)、采用时间积分方法求解步骤(5)得到的m个线性常微分方程组，得到m个温度场向量φ(x,y,z,t)，所述温度场向量φ(x,y,z,t)为整个热防护系统空间内所有有限元节点在时间历程内每个计算时刻的温度计算结果；(7)、从每个温度场向量φ(x,y,z,t)中提取指定区域整个时间历程内的温度特征量，得到指定区域的m个热随机变量组合样本所对应的随机输出温度特征量；(8)、针对步骤(7)中所得到指定区域的m个热随机变量组合样本及其所对应的随机输出温度值，利用响应面方法建立指定区域温度特征量的高精度多项式响应面模型；(9)、对步骤(8)中所得到的指定区域温度特征量的高精度多项式响应面模型进行n次蒙特卡洛抽样仿真，从仿真结果中提取n个指定区域随机输出温度特征量，根据n个指定区域随机输出温度特征量计算该指定区域的热防护可靠度，作为热防护系统的可靠度；(10)、当热防护系统的可靠度大于等于预设门限时，结束；否则，调整热防护系统中热防护结构件的设计参数，重复步骤(2)～步骤(10)，直到热防护系统的可靠度大于等于预设门限。