热头是斯特林发电机重要的能量传输部件，由于热头冷热端存在较大的温差，同时热头内部高压工质在工作时产生高频压力脉动，为了减小热端和冷端之间的轴向热传导损失，热头一般采用薄壁结构，因此热头薄壁结构同时要承受冷热端温差产生的较高热应力，工质静压力和工质气体的脉动压变应力，尤其在热头高温端，这些应力还同时伴随着600℃以上的高温，作为空间应用，其结构还要求长寿命和高可靠，以上因素和要求互相作用，有些甚至互相矛盾，如热力学薄壁结构与力学设计要求，这些均对热头的设计带来巨大的挑战。需要在设计中综合考虑以上因素，进行结构的优化 。
(1)在工作过程中，热头同时要承受冷热端温差产生的热应力，内部工质压力以及工质气体在循环中产生的高频交变脉动压力，力学设计分析必须综合考虑多方面的应力影响;
(2)在结构设计中为了减小冷热端传热温差造成的热损失，热头筒体采用薄壁结构，需在减少导热损失和提高抗弯强度之间进行优化;
(3)热头结构工艺设计和密封结构设计的可靠J险; (4)高温热源对冷端热辐射和传导效应的防护;
(5)高热流密度传热结构设计。
热头材料的选用分析 热头长期工作在高温环境中，加热温度一般在650一800 0C，是长时间承受高温和高压持续载荷的气密结构，必须考虑由此产生的材料随时间积累的非弹性疲劳一蠕变，材料在高温下低沸点成分的挥发造成的气密性降低等。因此热头结构对于材料性能和抗蠕变特性要求较高，在设计过程尽量选用成熟的、经过较多应用验证和可获得的耐高温结构材料。在选用材料时把握以下原则:
(1)抗蠕变性能;
(2)可加工性;
(3)材质致密，防氦工质的泄漏;
(4)长期高温工作的稳定性和材料兼容性;
(5)易于实现焊接密封结构;
(6)延展性和刚性(便于加工，处理和抗外界物体撞击能力)。
作为一般原则，受热部件应采用在高温下具有高强度的材料制成，典型的是含有18% C:和8% Ni的耐热合金，如耐热不锈钢，国产对应的牌号有OCr17Ni12Mo2，相当于美标316L，这种材料容易获得，加工性好，可以用于斯特林发电机样机的早期研制阶段，本设计采用316L材料。所以在高温使用过程中材料的真空质量损失也可以不考虑。
抗蠕变设计要求
由于非弹性疲劳引起的蠕变而导致的压力容器在低于静态强度极限时破裂。蠕变强度与温度相关，而且在大多数的情况下仅仅关注材料在高温时的变化。虽然蠕变能够在任何温度下发生，但是蠕变效应通常在温度高于40%金属熔化温度时能够观测到[3]。典型性而言，在斯特林发电机中工作温度高于这一标准的部件为热头，该部件的主要壳体应力不应超过材料在该温度和服役时间下的蠕变破裂应力。即使在低于要求的防止破裂的蠕变危害的情况下，蠕变变形造成的无效容积的增加对于斯特林循环的性能有不利的影响。所以，应当限制热头壳体应力低于工作温度和工作时间下的材料的蠕变应力。
热头工艺设计要求
为了减少热头轴向的热传导损失，热头结构的厚度一般为0. 5一1 mm，其形位精度要求较高，但由于所采用的材料加工和焊接性能好，所以热头采用筒体和封头分体加工，最后焊接成整体的方式，这样在加工精度的实现性方面带来好处，便于加工，从而能够在结构优化过程中兼顾热头加工成形和焊接密封的工艺可实现性。
热头高热流密度换热设计
斯特林发电机热头为热量输入端，热流密度大(本设计约20. 37 W / cmz )，工质在热头膨胀腔体内高速交变流动，工质与热头壁的热交换时间极短，热头换热结构影响热输入效率，直接影响到系统的热效率。根据传热机理，采用的主要技术途径是增大有效换热面积、提高换热强度和减少热阻。
采用放射性同位素热源的空间斯特林发电机，热头与热源直接藕合，在初步设计阶段，热头结构采用平头方式，采用模拟热源与斯特林发电机藕合，热藕合采用间接接触热传导的方式，为了减小接触热阻，对热头与模拟热源的导热接触表面粗糙度和平面度要有较高设计要求，同时为保证接触面有足够大的接触面积，在接触面之间填充耐高温界面材料，根据导热热阻的影响因素分析，导热热阻与接触面间的压紧程度成正比，但斯特林发电机热头为薄壁结构，过大的压紧力会导致其变形，从而影响其正常运行，采用在斯特林制冷机热藕合上应用过的柔性导热带方式，使热源与斯特林发电机热头同时实现柔性软连接，这样既保证了导热带两端连接部位的较小传热热阻，同时避免了热头受过大的预紧力，尤其适应发射力学负载，使热头结构不会由于热源和热头热端面的相对位宇航材料工艺移而受到较大的侧向力。
由于斯特林发电机热头有复杂的外形和负载特征，可以采用有限元分析获得零件上的应力分析，FEA的好处是设计优化，比如最小质量等能够自动得到，使用3D设计软件创建基本几何特征、使用有限元仿真分析软件进行网格化、添加负载，求解和根据设计准则进行评估等完整的设计过程，同时使用标准的FEA工作，比如网格敏感性研究、以保证分析结果的准确性。在条件许可的情况下，需要开展2倍工作压力的爆破压力试验和1. 5倍最大工作压力的验证试验校验设计和分析结果，以保证在如此高的压力时无永久变形的发生。
为了提高斯特林发电机热头抗弯强度，同时有效减小轴向导热损失，提高系统效率，采用变截面的热头结构，与传统的等截面结构相比，设计成形难度较大，但对系统的性能提高有益。在进行变截面热头结构设计时，首先建立热头的有限元分析模型，热头是一个压力腔，而且一端受热，一端受冷，工质气体在冷热端之间循环，提供产生机械功的压力波，由于内部压力，热头存在着环向和轴向的应力，冷热端温度梯度产生弯曲应力，热头为回转体，在大多数情况下采用2D对称模型分析，但是考虑到发射负载，则采用3D模型。热分析模型为温度相关材料，因此需要非线性的迭代求解器，边界条件包括在换热器上的温度和热流值。
结构分析模型也使用温度相关材料模型，应用从热分析结果得到的节点温度作为边界条件，额外的边界条件包括压力负载，位移状况和任何需要仿真的条件如发射负载，建立结构模型用来确定热头寿命期内不同条件下的应力特点，调用在材料选用研究中得到的材料物理参数，根据热头的工作参数确定边界条件，计算分析热头结构的应力分布特点，依照以上确定的设计准则对其仿真分析和优化设计，确定其结构设计参数。
