高超飞行器极端恶劣的服役环境对其热防护结构的轻量化和力学性能提出了苛刻要求。本文以高超飞行器针刺轻量化热防护结构为研究对象,针对高超热防护结构服役面临的机械、气动热、振动及噪声等荷载,仿真研究了针刺热防护结构的力学行为,给出了热防护结构工艺参数对其力学性能的影响规律,探索了其影响的力学机制,论文主要工作如下:(1)针对高超飞行器针刺轻量化热防护结构,建立了该热防护结构的细观有限元模型,该模型考虑了热防护结构中的复合材料编织面板、气凝胶隔热夹芯及针刺纤维之间的相互作用、考虑了热防护结构与金属机身的粘接作用,模型既反映了该热防护结构的物理实际,同时又进行了合理精简使得计算机可求解;(2)针对该针刺轻量化热防护结构,研究了结构工艺参数(面板厚度、隔热夹芯厚度、针刺纤维密度、针刺纤维陶瓷化程度等)对其力学性能的影响,研究表明针刺纤维束密度与针刺纤维束直径增大对该热防护结构在典型工况下的应力状态有改善趋势;同时该热防护结构厚度增大时针刺纤维束的应力水平升高,对该热防护结构应力状态的改善不利;(3)本文基于数值仿真方法,通过编写针刺纤维束、编织复合材料面板以及气凝胶夹芯材料的损伤与失效分析的UMAT7程序,研究了该热防护结构在典型面外拉伸、压缩荷载下的失效行为,同时本文开展了该针刺轻量化热防护结构在典型机械荷载下力学性能的实验测试工作,数值仿真结果与热防护结构试验件的面外拉伸、面外压缩实验结果吻合较好。本文给出的针对针刺轻量化热防护结构在机械、气动热、振动及噪声等服役荷载下的应力、应变场分析,热防护结构的渐进损伤与失效计算方法可以为该热防护结构的工程设计和强度校核提供计算方法支撑。