栅极组件是离子推力器的关键部件。目前栅极组件的结构设计能够满足推力器各项性能指标要求,但受到工作时热变形等因素影响,在长寿命和高可靠稳定性方面尚有不足,影响了推力器性能和稳定性。因此,针对推力器栅极结构特点和工作环境开展相关问题研究,探索预测栅极热变形的有效方法,分析栅极热变形规律及其影响因素,对于提高推力器工作的可靠性,促进推进器工程化具有重大的实际意义。为此,本文基于栅极工作时受到不均匀温度场作用而引起结构热变形的实际背景,设计了大气条件下栅极组件的人工加热实验,并且结合栅极组件的建模和热变形仿真技术,开展了一系列研究。主要完成的工作如下:(1)开展了大气条件下栅极组件的人工加热实验,并对栅极结构的温度场及热变形进行仿真分析。本文设计了大气条件下栅极组件人工加热实验,测量得到了栅极温度场、中心热变形及中心间距变化的实时数据,分析了其变化规律,与此同时研究栅极结构特点,建立了其全尺寸壳单元模型,根据实验条件设置模型边界条件,对栅极温度场及热变形进行仿真分析,对比实验及仿真结果,验证有限元模型及方法的准确性;(2)对比分析了不同单元类型栅极模型的计算精度及计算效率,开展了栅极热变形影响因素分析。根据栅极结构特点,进一步建立其全尺寸体单元及梁单元模型,对不同单元类型的栅极模型的计算效率及计算精度进行了对比分析,并且研究了单元数量对模型计算精度及计算效率的影响。在此基础上,分析了栅极热变形的影响因素;(3)建立了与栅极全尺寸模型热变形计算结果基本一致的等效模型。基于材料等效原则,采用有限元方法,获得栅极等效材料参数,进一步将栅极等效为无孔扁球壳结构,并与全尺寸模型的计算结果进行对比,结果表明栅极等效模型与全尺寸模型计算结果基本一致。另一方面,借鉴旋转壳的热应力及热变形理论进一步求解栅极等效模型热变形,得到了更简化的求解方法。