题目：多功能结构设计及其多物理场耦合分析

本文主要研究了多功能结构的设计方法以及设计分析所面临的多物理场耦合分析问题。研究包括三个主要内容：第一，通过对现有多功能结构工业应用与理论研究的总结，结合空间环境对航天器系统的应用需求，系统地总结了多功能结构的特征，并提出了多功能结构的设计方法与分析流程；第二，基于多功能结构的复合介质特征，分别采用解析和数值分析方法对多功能结构的复合介质进行了瞬态热传导和热弹性问题的研究；第三，采用多功能结构实现了空间电磁防护，并针对电磁感应热现象对多功能复合介质箱体造成的影响进行了研究。本文首先回顾了多功能结构近年来的研究和发展，基于多功能结构的设计思想进一步明确了多功能结构的力学特征。针对航天器结构所承受的多种物理场载荷特点，基于航天器系统为满足空间环境对材料和结构的功能性需求，提出以满足空间需求为核心的结构功能化集成设计，总结了多功能复合结构分析方法和设计流程。然后，从热——结构耦合的研究角度入手，将解析法与数值法相结合进行多功能结构研究。在解析分析方法上，本文针对多功能结构的复合介质特征，采用分离变量法，结合热传导方程及其边界条件的非齐次特性，得到了多层复合介质瞬态热响应的精确解析解。由于精确解的形式强烈依赖于结构的物理特性和结构形式，在得到多层复合介质瞬态热响应精确解析解的过程中，当结构的材料性能、形状以及不同材料的组合形式发生改变时，都要重新对特征根进行大量计算以确定新的解析解形式，使得整个分析过程计算困难且较为繁琐，难以应用到工程领域。因此，本文基于线性叠加原理引入材料的等效热特性参数，将复合介质转化为单一介质，很大程度上简化了复合介质瞬态热响应计算，并通过对复合介质的等效热特性参数进行修正，改善近似解析方法的计算结果精度，从而更好的满足工程应用需求。在数值方法方面，建立能够体现复合介质特征并满足多种物理场分析要求的统一数值分析模型是深入研究多功能复合结构复杂物理场条件下结构响应的关键问题。结合多功能结构复合介质的物理特征，本文提出采用混合单元模型，利用三维实体和二维板壳结构以及复合材料层合结构组成不同特点的混合单元结构，对复合层合结构进行模拟，并且有效地减小了计算规模。利用薄层二维结构在原理上属于三维结构的退化形式，将薄层结构的二维刚度矩阵扩展为三维形式，与混合单元中的三维结构的热传导矩阵和刚度矩阵实现统一集成，在数学形式上得到了统一的数学表述，从而实现了混合单元热弹性模型的总体集成。其次，以多功能复合介质的瞬态热传导分析为基础，基于复合材料的经典层合理论，采用解析法建立了多功能复合介质结构的瞬态热弹性耦合响应方程，对复合介质瞬态热弹性的耦合问题进行了研究，并基于混合单元模型对复合介质的热弹性问题进行了研究。最后，针对空间电磁环境以及可能出现的空间强电磁场对航天器系统的影响，基于混合单元模型采用矢量有限元方法，利用多功能复合结构中金属薄层的高导电物理特性，从结构设计角度进行主动的结构电磁屏蔽设计，并初步研究分析了强高频电磁场与航天器多功能结构之间产生的电磁感应现象对功能结构产生的多场耦合问题。