封閉式腔體結(jié)構(gòu)反向熱變形設(shè)計

朱坤 魏浩

摘要：采用結(jié)構(gòu)反向熱變形設(shè)計解決某型腔體結(jié)構(gòu)在高溫環(huán)境下向腔體內(nèi)側(cè)凹陷的問題，提高了高溫環(huán)境下信號傳遞效率。

關(guān)鍵詞：腔體;熱變形;約束

0? ? 引言

現(xiàn)有的某型封閉式腔體結(jié)構(gòu)，在溫度達(dá)到30 ℃以上或者陽光長時間照射時，腔體前后兩層柔性泡沫板會發(fā)生熱變形，向腔內(nèi)凹陷，甚至貼合到一起，阻礙內(nèi)部聲學(xué)信號傳輸，影響聲學(xué)傳感器信號檢測，甚至使信號無法正常傳輸。針對此問題，需要設(shè)計出一種新型腔體結(jié)構(gòu)，在高溫或者陽光長時間照射下，前后兩層柔性泡沫板不發(fā)生向腔內(nèi)的凹陷變形，保證聲學(xué)信號的有效傳輸。

1? ? 問題分析

某型封閉式腔體由柔性泡沫板、木襯條組成，通過木襯條將兩層柔性泡沫板相對固定，一端面用柔性泡沫板固定，另一端面開口的密封空腔，如圖1所示。

對柔性泡沫板進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，靠近內(nèi)腔的單元格由于左右被木襯條約束，所以內(nèi)側(cè)的網(wǎng)格單元熱能量只能上下釋放，另外兩個方向的熱能量釋放對腔體凹陷不產(chǎn)生影響，可以不考慮。腔體外側(cè)的單元格左右方向和上下方向沒有約束，所以各個方向都可以釋放熱能量。內(nèi)側(cè)單元格上下方向的熱能量釋放比外側(cè)單元格上下方向的熱能量釋放占比大，所以柔性泡沫板都會向內(nèi)腔凹陷。

2? ? 解決方案

針對該問題，可以通過改變?nèi)嵝耘菽宓募s束部位或者在柔性泡沫板內(nèi)腔側(cè)增加約束，使大部分熱能量向外側(cè)釋放，保證腔體向外鼓代替向內(nèi)側(cè)凹陷。

2.1? ? 改變泡沫板的約束部位

泡沫板在無約束條件下，單元格6個方向的熱能量釋放應(yīng)該是相同的，在形成腔體后，熱能量釋放具有的方向性與約束有關(guān)。

如圖2所示，本方法將木襯條對泡沫板的約束改到腔體外側(cè)，腔體內(nèi)側(cè)的單元格左右方向和上下方向沒有約束，所以各個方向都可以釋放熱能量。外側(cè)單元格上下方向的熱能量釋放比內(nèi)側(cè)單元格上下方向的熱能量釋放占比大，所以柔性泡沫板都會向外側(cè)鼓。

2.2? ? 在泡沫板的內(nèi)側(cè)面上粘貼玻璃布

原有結(jié)構(gòu)由于泡沫板內(nèi)腔側(cè)釋放的熱能量占比大，考慮在內(nèi)腔側(cè)粘貼玻璃布，如圖3所示，增加約束強度，引導(dǎo)熱能量向外側(cè)釋放。玻璃布帶膠粘貼后硬化，內(nèi)側(cè)約束加強，溫度升高后，熱能量向外側(cè)釋放，腔體向外側(cè)鼓。

3? ? 驗證試驗

改變結(jié)構(gòu)設(shè)計后，進(jìn)行高溫和聲學(xué)信號傳遞試驗，如圖4所示，試驗結(jié)果跟理論分析基本一致。

3.1? ? 改變泡沫板的約束部位

高溫試驗后，腔體向外側(cè)變形，變形量比較小，此時在腔體中心區(qū)域放置聲學(xué)信號源，進(jìn)行聲學(xué)信號傳遞測試，波形良好，未出現(xiàn)明顯干擾，能滿足使用要求，如圖5所示。

3.2? ? 在泡沫板的內(nèi)側(cè)面上粘貼玻璃布

高溫試驗后，腔體向外側(cè)變形，變形量比較大，此時在腔體中心區(qū)域放置聲學(xué)信號源，進(jìn)行聲學(xué)信號傳遞測試，波形良好，未出現(xiàn)明顯干擾，能滿足使用要求，如圖6所示。

4? ? 結(jié)語

本文通過熱變形的定性分析，采用改變約束部位和增強部位約束的設(shè)計方法，消除了某型封閉式腔體熱變形凹陷、信號傳遞效率差的缺點，保證了設(shè)備整機在高溫環(huán)境下能夠正常運行。

收稿日期：2020-08-31

作者簡介：朱坤（1981—），男，江蘇泰州人，工程師，研究方向：機械設(shè)計及理論。