石英燈照射虛擬熱試驗(yàn)程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王振亞，叢琳華

(中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，陜西 西安 710065)

1 引 言

高超聲速飛行器在大氣層內(nèi)以超過5馬赫數(shù)的速度飛行時(shí)，其表面要經(jīng)受極端嚴(yán)酷的氣動(dòng)加熱環(huán)境。在所有的熱強(qiáng)度環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)中，由石英燈組成的加熱器可以很好地模擬各種型號(hào)產(chǎn)品在運(yùn)行時(shí)的熱強(qiáng)度環(huán)境，所以，石英燈組成的加熱器廣泛用作熱強(qiáng)度環(huán)境模擬試驗(yàn)的加熱設(shè)備[1-3]。

虛擬熱試驗(yàn)技術(shù)是一種基于結(jié)構(gòu)分析驗(yàn)證的技術(shù)，即利用計(jì)算機(jī)對(duì)熱試驗(yàn)系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)熱試驗(yàn)系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行數(shù)字仿真，構(gòu)建熱試驗(yàn)系統(tǒng)虛擬試驗(yàn)平臺(tái)，從而對(duì)熱試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析，以優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)方案。在加熱器設(shè)計(jì)中，石英燈產(chǎn)生的輻射熱流場(chǎng)對(duì)試驗(yàn)成敗至關(guān)重要。通過石英燈照射虛擬熱試驗(yàn)，能夠快速進(jìn)行輻射熱流場(chǎng)預(yù)估。

2 必要性

以往熱試驗(yàn)對(duì)加熱功率預(yù)估，采用如下公式[4]：

W=δρcTv/η

(1)

式中：W為加熱帶設(shè)計(jì)功率，W/m2；δ為受熱面材料厚度，mm；ρ為受熱面材料密度；g/cm3；c為受熱面材料的比熱容，J/(kg·℃)；Tv為最大溫升率，℃/s；η為加熱器的效率。

公式(1)沒有考慮材料的傳熱特性，通過數(shù)值仿真可以發(fā)現(xiàn)，達(dá)到陶瓷表面溫度對(duì)鈦合金而言需要3倍的熱流量(見圖1)。為此，建立石英燈照射虛擬熱試驗(yàn)系統(tǒng)非常必要。

3 程序設(shè)計(jì)

3.1 程序系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)程序設(shè)計(jì)流程的需要，采用模塊化的程序設(shè)計(jì)技術(shù)，整個(gè)系統(tǒng)可劃分為如下12個(gè)模塊：

1)石英燈陣列虛擬試驗(yàn)；

2)文本數(shù)據(jù)編輯；

3)虛擬試驗(yàn)平臺(tái)參數(shù)輸入；

圖1 達(dá)到陶瓷表面溫度鈦合金所需熱流

4)試驗(yàn)件參數(shù)輸入；

5)控制參數(shù)輸入；

6)自動(dòng)建立模型；

7)導(dǎo)出NASTRAN數(shù)據(jù)；

8)進(jìn)行NASTRAN計(jì)算；

9)讀取NASTRAN結(jié)果；

10)NASTRAN結(jié)果轉(zhuǎn)換；

11)計(jì)算結(jié)果顯示；

12)虛擬試驗(yàn)使用說明。

系統(tǒng)中的12個(gè)模塊是按照功能不同而劃分的，由主控程序“石英燈陣列虛擬試驗(yàn)”統(tǒng)領(lǐng)，通過隱藏式數(shù)據(jù)文件的連接與傳遞，每個(gè)模塊之間以先后次序關(guān)聯(lián)起來。由于有了數(shù)據(jù)文件的連接作用，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清楚、獨(dú)立性強(qiáng)。

3.2 有限元模型全參數(shù)化

本程序系統(tǒng)采用了模塊化的程序設(shè)計(jì)技術(shù)，可以使用戶對(duì)程序系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)以及各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)功能、程序邏輯了解得更加清楚。

圖2是控制菜單示意圖，通過PCL[5]編程，采用交互式操作方式完成相應(yīng)的程序驅(qū)動(dòng)。

圖2 控制菜單

3.3 虛擬試驗(yàn)平臺(tái)參數(shù)輸入

該模塊主要包含石英燈參數(shù)輸入相關(guān)數(shù)據(jù)，由于物理試驗(yàn)包含單排石英燈和多排石英燈，多排石英燈則有導(dǎo)流條厚度、溫區(qū)間隔、燈絲盲區(qū)寬度等參數(shù)。需要輸入大參數(shù)包括：溫區(qū)間隔、導(dǎo)流條厚度、燈絲盲區(qū)寬度、燈絲等效直徑、燈絲長(zhǎng)度、相鄰燈絲中心距離、單排燈管數(shù)量、石英燈與反射板距離、石英燈與試件表面距離、反射板延伸長(zhǎng)度以及試驗(yàn)件縮進(jìn)長(zhǎng)度等11個(gè)參數(shù)(見圖3)。

圖3 虛擬試驗(yàn)平臺(tái)參數(shù)輸入窗體

該模塊考慮了雙排石英燈和單排石英燈。單排石英燈能夠模擬小板熱試驗(yàn)，雙排石英燈能夠模擬大型熱試驗(yàn)。同時(shí)，雙排石英燈可以明確計(jì)算出兩組石英燈間隔(圖3中的a表示)所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)件表面的溫度均勻性。

3.4 試驗(yàn)件參數(shù)輸入

試驗(yàn)件的參數(shù)以TPS為參照。TPS最多包含5層不同的材料，所以按照5層形式輸入材料參數(shù)，包括：材料的厚度、密度、隨溫度變化的熱傳導(dǎo)率和隨溫度變化的比熱。所有參數(shù)除TPS厚度采用毫米外，皆采用國(guó)際單位制。TPS厚度在程序中轉(zhuǎn)換為米制單位。用戶根據(jù)具體的TPS分層結(jié)構(gòu)確定層數(shù)，對(duì)每一層輸入相關(guān)參數(shù)。其中，材料的比熱和傳導(dǎo)率由于隨溫度變化而變化，所以采用文本方式輸入，該窗體直接讀取文本數(shù)據(jù)。這樣做的好處在于，材料的比熱和傳導(dǎo)率作為文件保存可以重復(fù)使用，同時(shí)也簡(jiǎn)化了窗體表格逐條輸入的限制。圖4給出材料參數(shù)輸入窗體。

圖4 材料參數(shù)輸入窗體

3.5 控制參數(shù)輸入

控制參數(shù)輸入包含熱流載荷兩種(類比于物理試驗(yàn)的分區(qū)控制)，該窗體設(shè)置了選擇按鈕，用戶只要按照窗體說明輸入相關(guān)參數(shù)即可。熱流載荷輸入包含試驗(yàn)件的反射率參數(shù)，因?yàn)槭┘訜崃鬏d荷需要考慮試驗(yàn)件受熱面的空間輻射以及石英燈與試驗(yàn)件的面面輻射和石英燈與反射板的面面輻射，還有反射板對(duì)試驗(yàn)件的面面輻射。事實(shí)上，試驗(yàn)件承受石英燈和反射板雙重面面輻射。注意，所有溫度單位為開爾文國(guó)際溫標(biāo)，原因是考慮輻射的溫度場(chǎng)計(jì)算要求必須采用國(guó)際溫標(biāo)。應(yīng)用PATRAN的PCL語言編寫了控制參數(shù)輸入窗體(見圖5)。

圖5 控制參數(shù)輸入窗體

3.6 自動(dòng)建立有限元模型

石英燈采用一維單元、反射板采用二維平面單元、試驗(yàn)件采用三維實(shí)體單元分網(wǎng)。一維和二維有限元模型采用固定網(wǎng)格數(shù)量，試驗(yàn)件實(shí)體則根據(jù)厚度方向的不同分網(wǎng)：?jiǎn)我徊牧掀史謨蓪?、兩種材料剖分四層、三種材料剖分五層、四種材料剖分六層、五種材料剖分七層，這種剖分主要考慮了隔熱材料的厚度。應(yīng)用PATRAN的PCL語言，調(diào)用相關(guān)函數(shù)完成有限元模型的建立，所有參數(shù)皆通過文件方式傳遞，建立的有限元模型見圖6。主要的PCL函數(shù)是：

1)sgmconstsurfacevertex ()

/* 平面的建立 */

2)sgmtransformtranslatev1 ()

/*平面的平移 */

3)sgmconstsolid2surfacev1 ()

/*實(shí)體的建立 */

4)meshseedcreate()

/*網(wǎng)格剖分段數(shù)的定義 */

5)femcreatemeshsol5 ()

/*實(shí)體的分網(wǎng) */

6)femequivallgroup4 ()

/*對(duì)重合點(diǎn)進(jìn)行合并操作 */

7)femrenumnode1()

/*對(duì)所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行重新編號(hào) */

8)material.create()

/*材料的定義 */

9)elementpropscreate()

/* 材料特性的定義 */

10)loadsbcscreate2()

/*載荷與約束的定義 */

11)uianswermessage()

/*自動(dòng)回答響應(yīng)函數(shù) */

(a)單排石英燈

(b)雙排石英燈圖6 有限元模型

3.7 結(jié)果顯示

在PATRAN平臺(tái)自動(dòng)顯示TPS溫度云圖和溫度時(shí)間曲線云圖。圖7給出了雙排石英燈的虛擬試驗(yàn)場(chǎng)景溫度云圖?？梢钥闯?，反射板的溫度由兩個(gè)高溫區(qū)向外部擴(kuò)散。

圖7 溫度云圖顯示

圖8給出了雙排石英燈的試驗(yàn)件溫度-時(shí)間歷程曲線，圖中的LEFT_Top和RIGHT_Top為兩排中心投影到試驗(yàn)件的位置?？梢钥闯?，由于試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的完全對(duì)稱性，兩條溫度曲線已經(jīng)完成重合。圖8中，CENTER_Top為試驗(yàn)件中心位置，該溫度明顯低于LEFT_Top和RIGHT_Top的溫度。

圖8 試驗(yàn)件熱面溫度—時(shí)間歷程曲線顯示

4 結(jié)束語

石英燈照射虛擬熱試驗(yàn)的建立能夠快速對(duì)平板熱試驗(yàn)進(jìn)行快速預(yù)估，可以為試驗(yàn)設(shè)計(jì)人員提供技術(shù)支持。