引信熱特性分析虛擬試驗系統(tǒng)的開發(fā)*

方治森,王 炅,陸 靜,姚智勇

(南京理工大學機械工程學院,南京 210094)

0 引言

隨著現(xiàn)代引信信息化、智能化、微型化的發(fā)展,引信熱問題已逐漸成為當前引信面臨諸多技術難點之一。熱對引信的性能有著重要影響。引信體受到熱沖擊,熱應力會導致引信體發(fā)生變形,同時會使引信腔內(nèi)形成高溫環(huán)境,降低腔內(nèi)電子設備的可靠性。目前,在引信設計中往往沒有專門的熱特性設計,這就可能使引信因熱問題而無法完成預定功能。

目前,國內(nèi)外開發(fā)的虛擬試驗熱分析平臺主要應用于航空航天領域,竇強[1]等利用虛擬試驗技術搭建了航天器虛擬熱試驗平臺,可以完成航天器的熱分析。婁文忠[2]等以某型號火箭彈引信為研究對象對引信的熱問題進行了分析,但沒有形成一個熱分析系統(tǒng)。用于引信領域的虛擬試驗熱分析平臺,相關文獻并沒有檢索到。

引信熱特性分析虛擬試驗系統(tǒng)可以實現(xiàn)引信駐點及壁面溫度理論計算、空氣動力熱仿真,引信常用熱電池工作溫度對引信腔內(nèi)溫度環(huán)境影響的仿真以及熱電池工作溫度曲線的隨機生成,最終完成引信體的傳熱特性分析以及熱對引信內(nèi)部電子設備可靠性影響的評估。

1 系統(tǒng)功能介紹

引信熱特性分析虛擬試驗系統(tǒng)主要包括:空氣動力熱分析模塊,熱電池發(fā)熱分析模塊,電子設備可靠性分析模塊,引信體傳熱特性分析模塊,集成軟件管理模塊,系統(tǒng)基本功能設置模塊和用戶及用戶權限管理模塊。系統(tǒng)功能模塊如圖1所示。

空氣動力熱分析模塊包括常規(guī)火炮基本參數(shù)數(shù)據(jù)庫,空氣動力熱實驗數(shù)據(jù)庫,駐點及壁面溫度理論計算系統(tǒng)和空氣動力熱仿真系統(tǒng)。該模塊可以根據(jù)引信的應用環(huán)境,選取配用的彈,確定外彈道計算基本參數(shù),完成對引信駐點及壁面溫度理論計算,同時利用流體仿真軟件完成空氣動力熱的數(shù)值仿真,并將相同條件下的理論計算值、仿真結果與已有的實驗數(shù)據(jù)進行比對,分析仿真誤差,積累仿真經(jīng)驗;同時通過對引信空氣動力熱仿真的修正,得到更精確的熱分布,為將熱源作為引信環(huán)境探測識別資源研究奠定基礎。

熱電池在被激活后,一定時間后,電池表面的溫度會達到300℃以上[3],在引信這種結構緊湊、空間狹小的環(huán)境中,由于缺乏有效的散熱措施,熱電池發(fā)熱會在引信腔內(nèi)形成一個高溫熱沖擊環(huán)境。因此,熱電池發(fā)熱分析模塊是引信熱特性分析虛擬試驗系統(tǒng)必不可少的一部分。該模塊包括引信常用熱電池工作溫度數(shù)據(jù)庫和熱電池工作溫度數(shù)據(jù)隨機生成系統(tǒng),其中數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)包括兩部分,實驗數(shù)據(jù)和隨機生成數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫存儲了引信常用熱電池的基本性能參數(shù)、表面工作溫度實驗數(shù)據(jù),以滿足熱設計階段熱電池選擇的需要,同時能夠實現(xiàn)基于已有數(shù)據(jù)的熱電池工作溫度數(shù)據(jù)隨機生成。

溫度是影響微電子器件工作可靠性的重要因素。因此,溫度對引信內(nèi)部電子設備可靠性影響的分析是保障引信性能不可缺少的一步。該模塊以數(shù)據(jù)庫的形式存儲軍用電子設備可靠性標準,同時能夠調(diào)用有限元分析軟件對引信內(nèi)部電子設備進行熱分析,評估熱對電子設備可靠性的影響。

引信體傳熱特性分析模塊能夠調(diào)用有限元分析軟件以空氣動力熱仿真結果為邊界條件進行引信體的傳熱特性分析。

集成軟件管理模塊,實現(xiàn)對本系統(tǒng)集成軟件庫的管理、通用封裝以及調(diào)用。

系統(tǒng)基本功能設置模塊主要實現(xiàn)系統(tǒng)基本參數(shù)的設置以及系統(tǒng)運行環(huán)境的配置。

2 系統(tǒng)的結構設計

引信熱特性分析虛擬試驗系統(tǒng)服務器操作系統(tǒng)為Windows 2003 Server,軟件開發(fā)工具主要為VB.NET,數(shù)據(jù)庫采用SQL Server2005。系統(tǒng)采用基于Web Service技術的多層分布式B/S和C/S結構相結合的一體化混合架構模型,分為數(shù)據(jù)服務層,業(yè)務邏輯層,基礎界面層,數(shù)據(jù)/管理層。系統(tǒng)的 Web Service和客戶端都采用VB.NET實現(xiàn),Web應用程序則采用ASP.NET實現(xiàn)。

數(shù)據(jù)訪問層:該層完全運行于服務器上,通過ADO.NET實現(xiàn)對SQL Server2005數(shù)據(jù)庫的訪問,并維護系統(tǒng)后臺數(shù)據(jù)結構。

業(yè)務邏輯層:該層算法邏輯完全運行于服務器上,以Web Service的方式提供服務,提供客戶端訪問層序,使客戶端模塊調(diào)用這些服務。

基礎界面層:該層利用邏輯層所提供的Web服務實現(xiàn),既有客戶端界面,也有服務器上的 Web Service服務端。

圖2 引信熱特性分析虛擬試驗系統(tǒng)結構圖

3 系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1 駐點及壁面溫度理論計算的實現(xiàn)方法

彈體在高速飛行時,由于空氣的壓縮和粘性作用,流動的空氣會對彈體,尤其是彈體頭部,進行氣動加熱,而通常安置于彈體頭部的引信受此影響則更加嚴重。根據(jù)一維絕熱流能量方程[4],駐點處總溫 T0與靜溫T關系為:

式中:T為駐點處的靜溫,Ma為馬赫數(shù),γ是空氣比熱比。

壁面溫度Tw則依據(jù)空氣動力學中絕熱壁的恢復溫度Tr來確定[4]:

式中:r是溫度恢復系數(shù),層流時r=0.83,紊流時,r=0.88;Ma∞為來流馬赫數(shù);T∞為來流溫度。

由式(1)、式(2)可知,要確定 T0和Tw需求解彈道諸元,目前,通過求解彈丸微分方程組獲取彈道諸元的方法已經(jīng)獲得廣泛的應用。

將彈丸視為質(zhì)點,同時對彈丸運動進行一系列簡化,此時得到彈丸理想彈道微分方程為:

H(y)為大氣密度函數(shù),具體計算方法見文獻[6],x、y 、t、v、c、θ分別為彈丸的射程 、射高 、飛行時間 、速度、彈道系數(shù)和彈道傾角。

設定彈道初始條件,通過四階龍格-庫塔法求解方程式(3),求解過程中使用變步長,得到彈丸的彈道諸元,代入式(1)、式(2)后可得彈丸在空中飛行的各個時刻引信體駐點及壁面溫度。

以某火炮引信為例,其整個彈道過程中駐點和壁面溫度如圖3所示。

圖3 某火炮引信駐點及壁面溫度

3.2 熱電池熱分析模塊的實現(xiàn)方法

引信常用熱電池工作溫度實驗數(shù)據(jù)是引信熱電池在密閉容器中被激活后,實驗測得的熱電池工作過程中電池表面幾個關鍵點的工作溫度。

從統(tǒng)計角度講,當某一類被測熱電池數(shù)量足夠多時,由于其發(fā)熱機理和發(fā)熱量相同,在相同條件下,熱電池表面相同位置在同一時刻的溫度應該在一個確定范圍之內(nèi)。根據(jù)統(tǒng)計學原理,可以認為該溫度值符合正態(tài)分布。因此,首先對獲得的實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計,獲取其均值μ和方差δ2,然后利用隨機數(shù)生成方法獲得該類型熱電池工作溫度的隨機曲線。

對于正態(tài)分布,滿足給定均值μ和方差δ2的隨機數(shù)生成公式為:

式中rndi為 0到 i之間均勻分布的隨機數(shù)。當n=12時,所得到的數(shù)據(jù)的近似程度就很好了。

以某鈣系熱電池為例,計算 100 次,第4次隨機生成的工作溫度曲線如圖4。

圖4 某鈣系熱電池工作溫度隨機生成曲線

該鈣系熱電池工作溫度實驗數(shù)據(jù)如圖5,圖 4和圖 5比較看出,隨機生成的數(shù)據(jù)和實驗數(shù)據(jù)的相似度很好。

圖5 某鈣系熱電池工作溫度實驗曲線

4 結論

引信熱特性分析虛擬試驗系統(tǒng)構建了一個集成的熱分析平臺,集成了有限元分析軟件和多個自主開發(fā)程序,使用該平臺能夠完成引信體傳熱分析以及熱對引信腔內(nèi)電子設備可靠性的評估,縮短了分析周期,為設計人員提供相關熱設計參考,同時也為進一步研究如何將熱源作為引信環(huán)境探測識別資源奠定了基礎。

[1]竇強,龐賀偉,魏傳峰,等.航天器虛擬熱試驗平臺的軟件架構及其應用[J].航天器環(huán)境工程,2007,24(6):370-375.

[2]婁文忠.信息化引信的熱管理技術研究[C]//中國兵工學會第14屆引信學術年會,2005.

[3]謝翔,劉愛軍.熱電池的基本原理與應用方法[J].電源技術應用,1999(10):25-27.

[4]錢翼稷.空氣動力學[M].北京:北京航空航天大學出版社,2005.

[5]牛江川,張學春,崔海斌.基于 Web Service的機電引信協(xié)同設計系統(tǒng)的開發(fā)[J].探測與控制學報,2008,30(Z1):18-22.