刘 超，刘文光

（南昌航空大学航空制造工程学院，江西南昌330063）

高超音速飞行器飞行时会遇到恶劣的热环境。当高超音速飞行器以36马赫（12 250 m/s）的速度返回大气层时，其机翼前缘驻点的温度高达11 000 K左右［1］。高温恶劣环境会对飞行器的可靠性、安全性及整体性能产生严重的影响。因此，热防护系统是高超音速飞行器设计的重要内容之一。

为了改善高超音速飞行器的热防护性能，选用合理的复合材料或涂层材料来设计热防护系统极为重要［2］。然而，传统的复合材料或涂层材料由于内部组分不连续变化，存在明显的界面失配问题。其在宏观力学性能上表现为应力集中和突变等问题。尤其是表层热防护材料，当气动加热达到几千摄氏度时，材料内部会出现严重的热应力集中等现象，导致表层材料脱落，影响飞行器的飞行安全。功能梯度材料（functionally graded material，FGM）由于材料组分连续变化，能弱化甚至完全消除不同界面处的失配问题，对缓解结构热应力集中等问题很有效［3］，因此可以应用在高超音速飞行器的热防护系统中。

针对FGM结构的力学问题，学者们开展了大量的研究。Ma等研究了功能梯度梁在热载荷作用下的非线性力学行为［4］；Nami等研究了在热机械载荷作用下空心FGM圆柱壳的裂纹尺寸、裂纹形状等对裂纹尖端应力强度因子的影响［5］；杨欢欢利用线弹性断裂力学理论研究了FGM结构在动静态载荷作用下裂纹尖端应力强度因子的变化规律［6］；Zhou等开发了虚拟节点断裂单元，求解了含裂纹的FGM板的能量释放率［7］；……