三维机织热防护材料(Woven Thermal Protection System,WTPS)是一种具有双层密度机织的三维机织复合材料,其具有高比模量、高的比强度、剪切强度、抗冲击损伤、损伤容限、可设计性、耐烧蚀和耐高温等优点。三维机织复合材料相比于二维编织层合结构具有良好的整体性能。可以在厚度方向布置连接纤维束,用于加强各层之间的编织,使得材料具有更高的剪切强度。其良好的性能使得三维机织复合材料能够满足航空航天器、军工产品、建筑材料和人造生物材料等领域的要求。本文采用实验表征、理论分析和数值模拟相结合的方法对三维机织热防护材料的压缩性能进行研究;通过编程实现了WTPS热防护材料纤维骨架结构的参数化,经过有限元模拟,研究了WTPS热防护材料纤维骨架结构参数对其各方向上模量的影响。根据飞行器再入过程的实际工况力学需要,对WTPS热防护材料进行细观结构设计,突破了WTPS热防护材料的细观结构连续调控关键技术,为三维编织材料的细观结构设计提供一套有效可行的设计方案。首先,设计WTPS热防护材料的压缩试验,获得了三维机织热防护材料的力学性能相关数据。采用混合率的方法对WTPS热防护材料内部的纤维束进行理论分析,获得了纤维束的弹性性能参数矩阵;再用体积平均化方法对WTPS热防护材料整体织构进行计算,获得了WTPS热防护材料与实际相符合的力学性能参数。其次,进行模拟分析,采用有限元方法,利用python语言分别编码WTPS纤维束架构的三维机织形式和预留截面的基体,并设置基体与纤维束之间的绑接,建立不同织构的几何模型单胞并设置单胞模型的周期性边界条件。导入abaqus进行WTPS力学性能的计算,施加周期性边界条件在不同载荷条件下的力学性能。运用均匀化原理计算材料的弹性性能,获得了上层单胞,下层单胞和整体单胞的弹性常数。通过与实验和理论结果的误差分析,验证了有限元模型的精确性。最后,修改三维机织热防护材料单胞模型的inp文件,对模型参数化设计,利用isight集成abaqus对参数化模型目标优化,设置变量研究参数变化对材料整体力学性能的影响。其中,参数变量包括纤维束的刚度、经向纤维束排列密度、纬向纤维束排列密度和编织深度。以压缩模量和剪切模量为目标,对三维机织热防护材料的细观结构参数进行优化,结合实际工况得到了最佳织构形式,为材料的制备提供参考。