热防护结构是超高速飞行器中的重要组成部分，可以为飞行器在高速飞行时抵御高温热流的损害。目前，热防护结构多采用金属和陶瓷复合的功能梯度材料，一方面充分利用陶瓷的耐高温、抗氧化的特点，同时发挥了金属高强度、高韧性的特点，通过连续的控制各组分含量的空间分布，弱化各组分之间的界面，进而消除物理性能的突变，使热应力降至最小。功能梯度材料是典型的非均值材料，其热传导方程中的导热系数是空间分布函数，在建立其边界积分方程时，非均质性将产生非线性项，经典的边界元法难以处理该非线性问题。本文通过将未知函数进行紧支径向基函数展开，结合径向积分法，导出控制方程的等效积分方程，进而建立非均值热传导问题的无网格边界元法。探讨了具有非线性材料参数的热传导问题迭代求解策略，针对耦合非线性区域积分问题，采用了基于函数近似展开和函数迭代拟合的两种处理方法，给出了一种精度更高、计算更稳定的初始拟均质化处理方法。数值试验表明，建立的初始拟均质化方法对初值选择不敏感，鲁棒性很好。针对典型飞行器尖化前缘材料，实现了其材料组分空间分布特性的优化。