一種二浮陀螺儀熱仿真分析及試驗驗證

張沛勇，孫 麗，武麗花

(1.北京控制工程研究所，北京 100190； 2.天津航海儀器研究所，天津 300131)

?

一種二浮陀螺儀熱仿真分析及試驗驗證

張沛勇1，孫 麗1，武麗花2

(1.北京控制工程研究所，北京 100190； 2.天津航海儀器研究所，天津 300131)

針對某衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)中的重要測量部件二浮陀螺儀的精度及可靠性不斷提高的要求，為了分析、掌握二浮陀螺儀的熱設(shè)計及內(nèi)部溫度場分布對其精度和可靠性的影響，利用Ansys Fluent軟件對二浮陀螺儀溫度場進(jìn)行仿真分析，得出其內(nèi)部溫度場分布情況，并與熱真空試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，驗證了二浮陀螺儀有限元模型及邊界條件的準(zhǔn)確性，根據(jù)仿真結(jié)果提出改善二浮陀螺儀熱設(shè)計的優(yōu)化措施.

二浮陀螺儀；熱仿真.

0 引 言

二浮陀螺儀是衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)中的主要測量部件之一，用于測量衛(wèi)星本體相對慣性空間的運(yùn)動角速度.隨著衛(wèi)星對二浮陀螺儀精度及可靠性需求的不斷提高，二浮陀螺儀內(nèi)部溫度場對精度的影響凸顯.之前，在進(jìn)行熱學(xué)特性的研究時，基本上只通過試驗的方式對設(shè)計結(jié)果進(jìn)行驗證，對二浮陀螺儀自身的熱學(xué)特性的分析很少，既不能做到提前識別存在的問題，又不利于產(chǎn)品的設(shè)計改進(jìn).當(dāng)前，隨著數(shù)值計算方法的不斷發(fā)展，通過有限元分析方法可獲得陀螺儀溫度場的分布情況[1-4].本文通過Ansys Fluent有限元分析軟件[5-6]對某衛(wèi)星用二浮陀螺儀進(jìn)行熱仿真及分析，得到二浮陀螺儀內(nèi)部的溫度場分布情況，并通過熱真空試驗驗證二浮陀螺儀熱仿真模型的正確性，為后續(xù)二浮陀螺儀熱設(shè)計提供參考數(shù)據(jù).

1 二浮陀螺儀熱模型的建立及仿真

1.1 二浮陀螺儀的熱設(shè)計

二浮陀螺儀三大組件：浮子組件，傳感器組件和殼體組件.浮子組件主要由陀螺儀馬達(dá)、浮子框架和浮筒組成，其內(nèi)部間隙充滿氦氣.二浮陀螺儀熱環(huán)境復(fù)雜，陀螺儀既要加熱保證浮液對浮子組件的浮力和重力完全相等，又要考慮陀螺儀內(nèi)部馬達(dá)的散熱，因此二浮陀螺儀的熱設(shè)計至關(guān)重要又有難度.

圖1 二浮陀螺儀溫控系統(tǒng)示意圖Fig.1 Diagram of temperature control system of floated gyro

圖1為二浮陀螺儀溫控系統(tǒng)示意圖.系統(tǒng)中加熱元件采用帶狀薄膜加熱片，纏繞在陀螺儀殼體上，通過傳導(dǎo)對浮液加熱.測溫元件采用熱敏電阻，布置在傳感器組件上.感溫元件采用兩個熱敏電阻串聯(lián)，一個內(nèi)熱敏電阻布置在傳感器組件上，另一個外熱敏電阻布置在殼體外，用硅橡膠固定.上述元件和外部溫控電路共同組成陀螺儀的溫控系統(tǒng)，對陀螺儀的內(nèi)部溫度進(jìn)行控制，進(jìn)而達(dá)到浮液對浮子組件的浮力和重力完全相等，消除摩擦，提高陀螺儀精度的目的.

1.2 有限元模型的建立

二浮陀螺儀的幾何結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，幾何模型的建立是前期的一項重要工作.建立的幾何模型，既要保證計算模型與真實模型在結(jié)構(gòu)、尺寸上的一致性，又要保證模型的計算效率.因而在建立模型前對二浮陀螺儀的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕?最終得到的有限元幾何模型及網(wǎng)格模型如圖2所示.

圖2 二浮陀螺儀有限元幾何模型及網(wǎng)格模型Fig.2 Geometric model and grid model of floated gyro

1.3 邊界條件的確定

1)內(nèi)熱源的確定

二浮陀螺儀的內(nèi)熱源主要是陀螺儀馬達(dá)功耗3.5 W.

2)主動溫控?zé)嵩?/p>

二浮陀螺儀的外熱源為殼體外側(cè)的加熱片功率,根據(jù)測試數(shù)據(jù)陀螺儀在真空條件下各溫度點加熱片功率如表1所示.

表1 二浮陀螺儀穩(wěn)態(tài)加熱片功率

3)真空輻射邊界條件

二浮陀螺儀外罩在真空下主要是輻射換熱.陀螺儀外罩設(shè)為金屬的半球發(fā)射率，吸收率與發(fā)射率相等，輻射環(huán)境溫度為陀螺儀所處真空環(huán)境溫度.

1.4 仿真結(jié)果

圖3是真空環(huán)境為20 ℃時，陀螺儀溫度場切片分布云圖，切片位置分別是Y=0，X=0，Z=0.

圖3 陀螺溫度切片分布云圖Fig.3 Slices of temperature field distribution of floated gyro

圖4是真空環(huán)境溫度為20 ℃時，殼體與浮筒間陀螺儀浮液薄層的溫度場分布云圖.

圖4 陀螺儀浮液薄層溫度分布云圖Fig.4 Slices of temperature field distribution of floated gyro oil lamella

1.5 仿真結(jié)果分析

由圖3知：1)二浮陀螺儀溫度場分布范圍是51.1～57 ℃，溫差為5.9 ℃，最高溫部位是陀螺儀馬達(dá)處，最低溫位于陀螺儀法蘭處.2)整個二浮陀螺儀的溫度梯度主要集中在浮子內(nèi)氦氣處，溫度范圍53.5～55.5 ℃，溫差為2 ℃，原因是氦氣導(dǎo)熱率小，其向外傳熱主要靠氦氣的流動.

由圖4知：1)陀螺儀浮液薄層內(nèi)側(cè)溫度場分布范圍是51.6～52.1 ℃，溫度差為：0.5 ℃，浮液層四周是高溫區(qū)域，馬達(dá)軸正對的中間區(qū)域是低溫區(qū).原因是浮液層四周氦氣流動速度快，傳熱快，而中間正對馬達(dá)軸處氦氣速度幾乎為零.2)陀螺儀浮液薄層外側(cè)溫度場分布范圍是51.5～51.9 ℃，溫度差為：0.4 ℃，溫度分布基本是兩端高，中間溫度最低.原因是中間正對陀螺儀的法蘭，法蘭通過陀螺儀支架導(dǎo)熱，熱量傳遞快導(dǎo)致中間溫度低.

2 二浮陀螺儀熱仿真的試驗驗證

2.1 熱分析試驗陀螺儀的設(shè)計

為了驗證仿真模型的正確性，設(shè)計了熱分析試驗陀螺儀.熱試驗陀螺儀主要是在目前陀螺儀零件的基礎(chǔ)上，在陀螺內(nèi)部設(shè)置測溫點[7]，通過測量測溫點的溫度，進(jìn)而了解陀螺儀內(nèi)部溫度場的分布情況.

本設(shè)計中，共布置5個測點(浮子組件內(nèi)部2個，浮子組件外部3個)，分別為：在浮子組件內(nèi)部，安裝陀螺儀電機(jī)的框架內(nèi)壁(C1)、框架臂壓塊端面(C2)各1個測點；在浮子組件外部，浸于浮油內(nèi)的左(C3)、右端部(C4)、殼體安裝法蘭上(C5)各1個測點.位置如圖5所示.

圖5 二浮陀螺儀內(nèi)部測溫點的位置圖Fig.5 The position of thermal resistance in floated gyro

2.2 試驗內(nèi)容

在真空環(huán)境條件下，選取4個環(huán)境溫度點，分別為10 ℃、20 ℃、30 ℃、40 ℃.試驗時，將試驗陀螺儀置于專用的密封罐內(nèi)，利用真空泵實現(xiàn)真空狀態(tài)，再將密封罐置于恒溫箱內(nèi).試驗陀螺儀的工作溫度設(shè)置在50 ℃，實時測試各測溫點阻值.

2.3 試驗結(jié)果及分析

真空狀態(tài)下，試驗陀螺儀的工作溫度設(shè)置為50 ℃ 保持不變，改變恒溫箱的溫度(即環(huán)境溫度)，穩(wěn)態(tài)時對應(yīng)的各測溫點的溫度數(shù)據(jù)如表2所示.

表2 真空狀態(tài)各環(huán)境溫度下對應(yīng)的各測點溫度

從表2數(shù)據(jù)可見：1)溫度最高點位于框架內(nèi)壁上，比框架臂壓塊端面溫度高0.1 ℃左右；2)浮子內(nèi)溫度比浮子外高1.5 ℃左右；3)環(huán)境溫度為10、20、30 ℃時，表體內(nèi)溫度較為接近，相差0.2 ℃左右，當(dāng)環(huán)境溫度升至40 ℃時，表體內(nèi)溫度比30 ℃高4.5 ℃左右.

2.4 試驗結(jié)果與仿真結(jié)果比對

在第1章仿真模型的基礎(chǔ)上，改變環(huán)境溫度，分別得到10 ℃、30 ℃、40 ℃時陀螺儀內(nèi)部各測溫點的溫度值.

圖6是真空環(huán)境溫度為20 ℃時，陀螺儀內(nèi)部各測溫點的仿真溫度值.

圖6 真空環(huán)境溫度為20 ℃時，二浮陀螺儀內(nèi)部各測溫點的仿真溫度值Fig.6 The temperature values of measurement points inside floated gyro(vacuum ambient temperature is 20 ℃)

表3是真空環(huán)境溫度分別為10 ℃、20 ℃、30 ℃、40 ℃時，陀螺儀熱試驗測溫點數(shù)據(jù)與有限元仿真的溫度數(shù)據(jù)對比情況.

表3 二浮陀螺儀熱試驗測點數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對比表

由表3知：通過有限元仿真得到的二浮陀螺儀溫度場各測點的溫度值與熱試驗得到的各測點的溫度值相差很小，充分證明二浮陀螺儀熱仿真模型準(zhǔn)確性.

3 二浮陀螺儀熱設(shè)計的優(yōu)化

根據(jù)仿真及試驗結(jié)果對二浮陀螺儀的熱設(shè)計提出如下優(yōu)化建議：

1)浮液的導(dǎo)熱率低是溫度梯度集中在浮液處的主要原因，因此在不改變浮液其他特性的情況下，提高浮液的導(dǎo)熱率也是一種提高二浮陀螺儀內(nèi)部溫度場均勻性的有效措施;

2)根據(jù)仿真和試驗結(jié)果，采取分區(qū)溫控設(shè)計，調(diào)整加熱功率分布，研制異型云圖式加熱片，也是進(jìn)一步減小陀螺儀內(nèi)部溫度梯度的方法.

4 結(jié) 論

本文通過Ansys Fluent軟件對二浮陀螺儀的溫度場進(jìn)行了仿真及分析，并通過熱真空試驗驗證了仿真模型的正確性，同時根據(jù)仿真及試驗結(jié)果提出了針對當(dāng)前二浮陀螺儀熱設(shè)計的優(yōu)化措施，對后續(xù)二浮陀螺儀的熱設(shè)計具有重要的參考意義.

[1] 李德才.基于流固耦合理論的長壽命陀螺儀浮子內(nèi)部流場及溫度場分析[J].中國慣性技術(shù)學(xué)報，2007，15(6)：721-723. LI D C. Analysis on temperature field and inner flow field of long-life gyro's floater with fluid-structure coupling theory[J].Journal of Chinese Inertial Technology，2007，15(6)：721-723.

[2] 卜石，劉娜.某型號液浮陀螺溫度場分析[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報，2006，26(4)：95-98. BU S,LIU N.The analysis on temperature field of a type of floated gyro[J].Journal of Projectiles, Rockets, Missiles and Guidance，2006，26(4)：95-98.

[3] 液浮陀螺溫度場優(yōu)化方法研究及實現(xiàn)[J].計算機(jī)測量與控制.2010,18(9)：2145-2147.

[4] APPEL N,HOLLAND J.Three dimensional finite element analysis of Inertial gyros[C]//AIAA Guidance and Control Conference.Washington D.C.:AIAA,1977：242-246.

[5] 韓占忠.FLUENT—流體工程仿真計算實例與應(yīng)用[M].北京理工大學(xué)出版社.2004，185-265.

[6] 田杰，陳培譞，莊園.基于Fluent的ITER杜瓦的輻射換熱分析[J].機(jī)械工程與自動化,2012,175(6):4-6 TIAN J, CHEN P X, ZHUANG Y. Thermal radiation analysis of ITER dewar by fluent[J].Mechanical Engineering & Automation,2012,175(6):4-6.

[7] 喻文煥 胡順菊.液浮陀螺儀浮筒表面瞬態(tài)溫度的確定[J].系統(tǒng)科學(xué)與數(shù)學(xué),1983,5(3):216-222 YU W H, HU S J.Identification of transient temperature on the float surface of a floated gyroscope[J].Journal of Systems Science and Mathematical Sciences，1983,5(3)：216-222.

Thermal Simulation Analysis and Experiment Verification for a Type of floated gyro

ZHANG Peiyong1, SUN Li1， WU Lihua2

(1.BeijingInstituteofControlEngineeringBeijing100190,China；2.TianjinNavigationInstrumentResearchInstitute,Tianjin300131,China)

As one of the important measuring instruments in satellite attitude control system, the requirements for accuracy and reliability of floated gyro are increasing. In order to analyze the influences of thermal design and internal temperature field distribution of floated gyro on its accuracy and reliability, the internal temperature field is simulated and analyzed via Ansys Fluent software. By compared with the thermal vacuum test data, the accuracy of the finite element model and boundary conditions of floated gyro are verified. According to the simulation results, some optimization measures are proposed to improve the thermal design of floated gyro.

floated gyro； thermal simulation

2015-03-27

V249

A

1674-1579(2015)05-0039-04

10.3969/j.issn.1674-1579.2015.05.008

張沛勇(1978—)，男，工程師，研究方向為慣性姿態(tài)敏感器設(shè)計；孫 麗(1973—)，女，高級工程師，研究方向為慣性姿態(tài)敏感器設(shè)計.