飛機(jī)隔熱結(jié)構(gòu)熱橋效應(yīng)分析與實(shí)驗(yàn)

夏 甜， 許 平， 尚 磊， 王 奡

(沈陽(yáng)飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所 結(jié)構(gòu)部， 沈陽(yáng) 110035)

飛機(jī)隔熱結(jié)構(gòu)熱橋效應(yīng)分析與實(shí)驗(yàn)

夏 甜， 許 平， 尚 磊， 王 奡

(沈陽(yáng)飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所 結(jié)構(gòu)部， 沈陽(yáng) 110035)

針對(duì)飛機(jī)隔熱結(jié)構(gòu)中金屬筋條的熱橋問題，設(shè)計(jì)了兩類典型飛機(jī)隔熱結(jié)構(gòu)構(gòu)型。為了研究分析熱橋效應(yīng)對(duì)隔熱性能的影響，對(duì)各構(gòu)型進(jìn)行瞬態(tài)熱傳導(dǎo)有限元分析，得到在熱面溫度分別為100 ℃，200 ℃，300 ℃，424 ℃時(shí)考核點(diǎn)的溫度，并通過隔熱性能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了有限元方法的有效性。結(jié)果表明：熱橋?qū)Ω魺峤Y(jié)構(gòu)的隔熱性能有較大影響，設(shè)計(jì)隔熱結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)充分考慮熱橋現(xiàn)象；提出了熱橋阻斷的方法。

隔熱結(jié)構(gòu)；瞬態(tài)熱傳導(dǎo)；隔熱性能；熱橋阻斷

高超聲速飛行器外表面在氣動(dòng)加熱的作用下，通過熱傳導(dǎo)將機(jī)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)溫度升高，飛行器隔熱結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)分析已經(jīng)成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容[1]。在飛機(jī)被動(dòng)隔熱結(jié)構(gòu)中，為了保證隔熱結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，在隔熱層中常常增加金屬筋條[2]，由于金屬材料的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)大于隔熱材料的熱導(dǎo)率，會(huì)直接導(dǎo)致金屬筋條部分升溫較快，通常將這些金屬筋條稱為熱橋[3]。熱橋的存在會(huì)導(dǎo)致機(jī)體內(nèi)部升溫迅速，從而影響隔熱結(jié)構(gòu)的隔熱效果。將金屬筋條在隔熱結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的熱短路[4]現(xiàn)象，稱為熱橋效應(yīng)。

楊萬楓[5]以船舶冷藏箱的隔熱結(jié)構(gòu)為對(duì)象，在理論分析的基礎(chǔ)上，得出熱橋傳熱的數(shù)值解。俞文勝等[6]通過ANSYS對(duì)冷藏集裝箱側(cè)壁進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)傳熱分析，得出真空絕熱板拼接所產(chǎn)生的熱橋?qū)Y(jié)構(gòu)隔熱性能影響較大。李微等[7]以TPS系統(tǒng)間連接件的熱橋效應(yīng)為對(duì)象，研究分析了沿厚度方向的熱橋效應(yīng)引起的熱應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)聲振耦合響應(yīng)的影響。常見的飛機(jī)隔熱需求通常是滿足其內(nèi)部系統(tǒng)的使用溫度，系統(tǒng)距離隔熱結(jié)構(gòu)表面往往有一定距離，這就要求溫度考核點(diǎn)位于空氣處，而以往的隔熱試驗(yàn)考核點(diǎn)僅位于隔熱結(jié)構(gòu)表面[8-9]。熱橋效應(yīng)的瞬態(tài)傳熱分析及考核點(diǎn)位于空氣處的隔熱性能實(shí)驗(yàn)研究報(bào)道較為鮮見。

為了充分研究分析飛機(jī)熱橋效應(yīng)對(duì)隔熱性能的影響，本工作首先設(shè)計(jì)了兩類典型飛機(jī)隔熱結(jié)構(gòu)，通過有限元軟件ABAQUS[10]對(duì)其進(jìn)行了不同熱面溫度下的瞬態(tài)熱傳導(dǎo)分析；其次制備了隔熱結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件，針對(duì)飛機(jī)內(nèi)部系統(tǒng)的隔熱需求，將考核點(diǎn)布置在結(jié)構(gòu)冷面上方的空氣處，進(jìn)行了隔熱性能實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了有限元方法的有效性；最后依據(jù)計(jì)算分析結(jié)果，對(duì)比分析了兩類隔熱結(jié)構(gòu)在不同熱面溫度、隔熱時(shí)長(zhǎng)下，熱橋效應(yīng)對(duì)隔熱性能的影響規(guī)律，同時(shí)提出了熱橋阻斷方法。

1 飛機(jī)隔熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

兩類典型飛機(jī)隔熱結(jié)構(gòu)構(gòu)型具體參數(shù)及結(jié)構(gòu)示意圖見表1。構(gòu)型1均為加筋壁板結(jié)構(gòu)，其中蒙皮和筋條材料為TC1，結(jié)構(gòu)高度均為20 mm。構(gòu)型2是以鈦蜂窩(TC4H-6.4-0.1)為主，構(gòu)型2a是普通的蜂窩結(jié)構(gòu)，構(gòu)型2b是在蜂窩空腔內(nèi)部填充氣凝膠。隔熱材料均為氣凝膠(AIC-32AF-600)。金屬結(jié)構(gòu)與氣凝膠之間采用膠接。

2 瞬態(tài)熱傳導(dǎo)分析

2.1 隔熱需求

假設(shè)某型飛機(jī)的隔熱需求為：隔熱結(jié)構(gòu)外部溫度為424 ℃，保溫3 min，內(nèi)部系統(tǒng)使用溫度≤85 ℃，而系統(tǒng)距隔熱結(jié)構(gòu)冷面距離為150 mm。應(yīng)用ABAQUS對(duì)各構(gòu)型進(jìn)行瞬態(tài)熱傳導(dǎo)有限元分析。將隔熱結(jié)構(gòu)外蒙皮溫度分別設(shè)置為100 ℃，200 ℃，300 ℃，424 ℃，考核距隔熱結(jié)構(gòu)冷面中心150 mm處空氣的溫度。為了更好的比較各構(gòu)型的隔熱性能，將分析時(shí)長(zhǎng)定為3 h。如果考核點(diǎn)在3 h內(nèi)未達(dá)到85 ℃，則比較各構(gòu)型的考核點(diǎn)在3 h時(shí)的溫度，溫度越低，說明隔熱性能越好，如果考核點(diǎn)在3 h內(nèi)達(dá)到85 ℃，則比較各構(gòu)型的考核點(diǎn)達(dá)到85 ℃所用時(shí)間，時(shí)間越長(zhǎng)，說明隔熱性能越好。

表1 典型飛機(jī)隔熱結(jié)構(gòu)構(gòu)型Table 1 Typical heat insulation structure configuration of aircraft

2.2 構(gòu)型Ⅰ隔熱性能比較

圖1 構(gòu)型Ⅰa的有限元模型Fig.1 Finite element model of the structure Ⅰa

由于構(gòu)型Ⅰ的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，筋條交錯(cuò)排列，為了更好的掌握熱橋傳熱規(guī)律，本工作建立了三維實(shí)體有限元模型(如圖1)。材料屬性見表2。建模時(shí)，將隔熱結(jié)構(gòu)的外蒙皮簡(jiǎn)化為400 mm×400 mm平板，蒙皮和筋條厚度均為1.2 mm。由于有限元ABAQUS默認(rèn)無實(shí)體部分為絕緣體，同時(shí)參考考核點(diǎn)位置，在隔熱結(jié)構(gòu)的冷面上方建立300 mm×300 mm的空氣實(shí)體，即考核點(diǎn)為空氣實(shí)體中心點(diǎn)。而空氣實(shí)體外部默認(rèn)為絕熱。ABAQUS進(jìn)行瞬態(tài)熱傳導(dǎo)分析時(shí)，選擇分析步類型為Heat transfer(Transient)，在分析步中設(shè)置分析時(shí)長(zhǎng)為10800 s。同時(shí)為提高計(jì)算精度，使用二階算法，選擇DC3D20單元，即20節(jié)點(diǎn)二階傳熱六面體單元。并假定初始溫度為25 ℃，熱面溫度分別為100 ℃，200 ℃，300 ℃，424 ℃。

經(jīng)過計(jì)算，得到構(gòu)型1a、構(gòu)型1b在熱面溫度為100 ℃，3 h后的溫度場(chǎng)分布(見圖2)，從圖2(a)中可以明顯看出，隔熱結(jié)構(gòu)中的金屬筋條溫度非常高，其產(chǎn)生的熱橋使得冷面空氣在靠近筋條部分的溫度遠(yuǎn)高于其他部分的溫度。從圖2(b)中可以看出，在隔熱結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)增加一層隔熱材料，能對(duì)金屬筋條的熱橋起到很好的抑制作用。

構(gòu)型Ⅰ的所有計(jì)算結(jié)果見表3。從表3中可以看出，當(dāng)熱面溫度為100 ℃，200 ℃時(shí)，3 h后三種構(gòu)型考核點(diǎn)溫度均不超過85 ℃。構(gòu)型1b較構(gòu)型1a的溫度降低了10 ℃，可見構(gòu)型1b相對(duì)于構(gòu)型1a的隔熱性能優(yōu)勢(shì)相當(dāng)明顯。

表2 材料屬性Table 2 The material properties

圖2 兩種結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)分布Fig.2 The temperature field distribution of the two kind of structure (a)structure Ⅰa;(b)structure Ⅰb表3 構(gòu)型1考核點(diǎn)的溫度及計(jì)算時(shí)長(zhǎng)Table3 The temperature and examination time of the structure Ⅰ’s check point

StructureⅠHotsurfacetemperature/℃Examinationtime/sTemperature/℃StructureⅠa1001080059200108008330025948542474885StructureⅠb10010800492001080069300357085424147485

比較構(gòu)型Ⅰa和構(gòu)型Ⅰb考核點(diǎn)在熱面溫度為100 ℃，3 h內(nèi)的升溫曲線，如圖3所示，在升溫初始階段，構(gòu)型Ⅰb的升溫曲線較構(gòu)型Ⅰa的升溫曲線平緩，說明在隔熱結(jié)構(gòu)開始受熱時(shí)，構(gòu)型Ⅰb內(nèi)側(cè)的隔熱層就已經(jīng)起到阻斷熱橋的作用。而隨著時(shí)間的增加，兩者的溫差越大。

圖3 構(gòu)型Ⅰa和構(gòu)型Ⅰb考核點(diǎn)的升溫曲線對(duì)比 (熱面溫度100 ℃時(shí))Fig.3 Comparison of temperature rise curves of structure Ⅰa and structure Ⅰb test point(hot surface temperature of 100 ℃)

2.2 構(gòu)型Ⅱ隔熱性能比較

由于構(gòu)型Ⅱ的蜂窩結(jié)構(gòu)屬于薄壁結(jié)構(gòu)，芯格數(shù)量過多，所以在三維建模過程中，為了節(jié)省建模時(shí)間，有必要將蜂窩結(jié)構(gòu)進(jìn)行等效簡(jiǎn)化[11]。本文中，采用將蜂窩結(jié)構(gòu)等效為三維板的方法，即建立一個(gè)等尺寸三維實(shí)體，計(jì)算其等效物理參數(shù)。等效公式參見表4。具體計(jì)算結(jié)果見表5。

(1)

(2)

(3)

式中：ks為蜂窩胞壁材料的熱導(dǎo)率；kg為蜂窩腔內(nèi)氣體的熱導(dǎo)率；keff為蜂窩芯體等效熱傳導(dǎo)系數(shù)；ρs，cs為蜂窩胞壁材料的密度；ρg，cg為蜂窩腔內(nèi)氣體的密度；As，Ag為蜂窩單元橫截面內(nèi)固相和氣相所占面積。

構(gòu)型Ⅱ的有限元分析結(jié)果見表6。從表6中可以看出，在熱面溫度為100 ℃時(shí)，構(gòu)型Ⅱa和構(gòu)型Ⅱb隔熱性能相當(dāng)，這表明雖然蜂窩空隙內(nèi)部填充了氣凝膠，但由于蜂窩內(nèi)外蒙皮與壁板之間形成的熱橋，導(dǎo)致傳熱達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，兩構(gòu)型的穩(wěn)態(tài)溫度仍是一樣的；當(dāng)熱面溫度為200 ℃，300 ℃，424 ℃時(shí)，從隔熱時(shí)長(zhǎng)來看，構(gòu)型Ⅱb的隔熱性能明顯好于構(gòu)型Ⅱa。這表明在高溫短時(shí)情況下，蜂窩內(nèi)部填充的氣凝膠材料可以起到一定的隔熱效果。

表5 構(gòu)型Ⅱ的等效物理參數(shù)Table 5 Physical properties of structure Ⅱ equivalent calculation

表6 構(gòu)型Ⅱ的考核點(diǎn)溫度及計(jì)算時(shí)長(zhǎng)Table 6 Temperature and examination time of the structure Ⅱ’s check point

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了分析金屬熱橋?qū)Ω魺嵝阅艿挠绊?，試件為上述兩類被?dòng)隔熱結(jié)構(gòu)構(gòu)型，構(gòu)型Ⅰ的試件為400 mm×400 mm的加筋壁板，其中蒙皮尺寸為400 mm×400 mm×1.2 mm，筋條尺寸及布置見圖4。構(gòu)型Ⅱ鈦蜂窩試件尺寸為400 mm×400 mm×15 mm。實(shí)驗(yàn)加熱裝置采用石英燈輻射加熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(電源柜、溫度控制/反饋程序、石英燈加熱器)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，在試件一面外側(cè)加熱，保證只有試件一側(cè)向盒段里傳導(dǎo)熱量。同時(shí)，為避免試件冷面與周圍環(huán)境的熱交換，在試件上方布置邊長(zhǎng)為300 mm的正方體隔熱罩，實(shí)驗(yàn)方案如圖5所示。測(cè)溫點(diǎn)位于隔熱罩中心，實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)測(cè)量該點(diǎn)的溫度。根據(jù)阻力傘艙實(shí)際隔熱需求設(shè)定了實(shí)驗(yàn)參數(shù)及要求，具體參數(shù)及要求見表7。實(shí)驗(yàn)時(shí)，為判別隔熱罩的隔熱效果，在其外壁面布置一個(gè)熱電偶，用以記錄外界環(huán)境溫度，經(jīng)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)過程中該點(diǎn)溫度均小于40 ℃，表明隔熱罩隔熱效果良好。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片見圖6。

依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證有限元分析的準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)終止時(shí)，選擇各構(gòu)型在熱面溫度為100 ℃和424 ℃時(shí)的考核點(diǎn)溫度進(jìn)行比較，比較結(jié)果見表8。結(jié)果表明：實(shí)驗(yàn)結(jié)果與有限元結(jié)果誤差為1.8%～10%之間，有限元分析的溫度值均大于實(shí)驗(yàn)結(jié)果。引起誤差的來源主要包括：1)實(shí)驗(yàn)采用石英燈輻射加熱系統(tǒng)，有限元方法無法準(zhǔn)確模擬出輻射加熱的過程；2)有限元模型中，默認(rèn)空氣外部為絕熱狀態(tài)，而實(shí)驗(yàn)時(shí)，空氣外部的隔熱罩無法達(dá)到完全絕熱的狀態(tài)。

圖4 筋條尺寸及布置Fig4 Size and arrangement of stiffener表7 試驗(yàn)參數(shù)及要求Table 7 Test parameters and requirements

Hotsurfacetemperatureoftestpiece/℃Holdingtime/minRemark100180200180300180424180(1)Thereal?timemeasurementoftemperatureintheprocessoftest；(2)Ifthetestin180minreachedtemperaturemeasuringpointintheprocessoftemperatureof85℃，stoptestimmediately．

圖5 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.5 Schematic diagram of the test diagram

圖6 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片F(xiàn)ig.6 Test site photos表8 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與有限元結(jié)果比較Table 8 Comparison of test results and finite element results

StructureHotsurfacetemperature/℃Endoftheexperimenttime/sTestresult/℃Resultsoffiniteelementmethod/℃Error/%Ⅰa1001080055597．24248948587．83．2Ⅰb1001080044．5491042416018587．42．8Ⅱa1001080062．5677．24241458587．61．9Ⅱb1001080062666．54242298588．33．9

4 結(jié) 論

(1)金屬筋條產(chǎn)生的熱橋?qū)Ω魺峤Y(jié)構(gòu)的隔熱性能影響不容忽視，其影響隨時(shí)間增加而增大；

(2)設(shè)計(jì)隔熱結(jié)構(gòu)時(shí)，如有金屬筋條，則有必要在筋條外部增加一層隔熱材料來減弱金屬筋條產(chǎn)生的熱橋；

(3)對(duì)于在蜂窩內(nèi)部填充隔熱材料的隔熱結(jié)構(gòu)，低溫長(zhǎng)時(shí)情況下，其隔熱性能與普通蜂窩結(jié)構(gòu)相當(dāng)，高溫短時(shí)情況下，其隔熱性能優(yōu)于普通蜂窩結(jié)構(gòu)。

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(責(zé)任編輯：張 崢)

Analysis and Experimental on AircraftInsulation Thermal Bridge Effect

XIA Tian， XU Ping， SHANG Lei, WANG Ao

(Shenyang Aircraft Densign & Research Institute， Shenyang 110035，China)

Two kinds of typical aircraft insulation structures were designed for the heat bridge in the metal ribs of aircraft insulation structures. In order to study the influence of heat bridge effect on thermal insulation performance, each configuration was analyzed by the transient heat transfer FEA, check point temperature was obtained in the hot surface temperature of 100 ℃, 200 ℃, 300 ℃, 424 ℃ respectively, and the validity of FEA was proved by insulation performance experiment. The result showed that the thermal bridge has a great influence to the insulation performance of insulation structure, and the thermal bridge influence should be considered adequately when the insulation structure designed. Additionally, the blocking method for thermal bridge is also put forward.

insulation structure; transient heat transfer; insulation performance; bridge blocking

2016-08-22；

2016-10-20

FGRJG基金項(xiàng)目(A0520132017)

夏甜(1986—)，女，碩士，工程師，主要從事飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，(E-mail)xiamelon@126.com。

10.11868/j.issn.1005-5053.2016.000147

V222

A

1005-5053(2017)03-0091-06