界面应力积分方程及其在飞行器热防护系统涂层结构失效分析中的应用

The coating structure of Thermal protection system is the key structure to guarantee the normal work of modern hypersonic flight vehicles. Boundary element method has distinct advantages in analyzing the thermal coating failure mechanism. However, the conventional stress integral equations were established for single homogeneous materials. It is still a challenge task to establish interface stress integral equations for composite materials. This study is an attempt in this aspect, aiming to research a type of interface stress integral equations for solving problems consisting of any number of homogeneous and inhomogeneous materials. The basic research idea is that, by introducing varying coefficient boundary-domain stress integral equations and making use of the jump character of material properties across the commonly shared boundary, domain integrals are degenerated into interface integrals and the integral equations for multiple media can be established, which consist of outer boundary and interface integrals including the difference of material properties of adjacent media. The established interface stress integral equation is an important supplement of multiple media boundary element method. The final multiple medium boundary element algorithm can provide powerful tools to the analysis of the coating structure failure of thermal protection system.

热防护系统涂层是保障现代高超声速飞行器正常工作的关键结构。边界单元法在分析涂层热力失效机理方面具有独特的优势。然而，传统的应力积分方程只是对单一均质材料建立的，建立多种材料组成的复合结构的界面应力积分方程仍是一个极具挑战性的问题。本课题就是在这方面的一次努力，研究一种能解决任意多种均质和非均质材料组成的多重介质应力问题的边界元算法。基本研究思路是：选择合适的基本解和规格化物理量建立单一介质一般变系数问题的边界-域应力积分方程，通过利用其中的域积分在跨过两种材料的公共边界时材料性质跳跃的特征，将域积分“退化”成沿共用边界的界面积分，从而建立起以外边界积分和包含相邻物性参数之差的界面积分为一体的多重介质应力积分方程。建立的界面应力积分方程是对多重介质边界元算法的一次重要的补充，最终形成的统一的快速有效的多重介质边界元算法可以为热防护系统涂层结构受力失效提供有力的分析手段。

项目在前期研究工作基础上，首先选择合适的基本解和规格化物理量建立单一介质一般变系数问题的边界-域应力积分方程，通过利用其中的域积分在跨过两种材料的公共边界时材料性质跳跃的特征，将域积分“退化”成沿共用边界的界面积分，从而建立起以外边界积分和包含相邻物性参数之差的界面积分为一体的多重介质应力积分方程。在此基础上，推导出了一种新的处理变系数问题的径向积分解析计算方法，计算效率得到了显著提高。最终形成的统一的快速有效的多重介质边界元算法可以为热防护系统涂层结构受力失效提供有力的分析手段。. 项目执行期内发表期刊论文17篇，包括计算力学领域TOP期刊International Journal for Numerical Methods in Engineering 2篇；传热传质领域顶级期刊International Journal of Heat and Mass Transfer 8篇，边界元法权威期刊Engineering Analysis with Boundary Elements 3篇。项目负责人2019年获得杜庆华工程计算方法优秀青年学者奖，2017年获得大连理工大学星海人才培育计划-星海优青支持，2015年获大连市青年科技之星称号。.