紅外整流罩純熱應(yīng)力分析

江 宏，林 宇

紅外整流罩純熱應(yīng)力分析

江 宏，林 宇

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

高速紅外制導(dǎo)戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈飛行時(shí)，氣動(dòng)熱（w）劇烈，w作用于導(dǎo)彈紅外整流罩上，產(chǎn)生的熱應(yīng)力熱是導(dǎo)致整流罩熱炸裂的主要因素。針對(duì)此問(wèn)題，在導(dǎo)彈整流罩早期研制階段，對(duì)于整流罩選材和能否進(jìn)行下一步約束狀態(tài)研究模擬整流罩固結(jié)導(dǎo)彈金屬殼體實(shí)際工作狀態(tài)，提出一種簡(jiǎn)單快捷的判別方法，紅外整流罩純熱應(yīng)力純熱分析。將自由狀態(tài)整流罩受到溫度梯度?引起的純熱從疊加位移約束G引起更大的熱中剝離出來(lái)，拋開(kāi)G的影響，單獨(dú)分析較小的純熱，進(jìn)一步抓住引起整流罩熱炸裂的主導(dǎo)因素。結(jié)合雙色透波需求，以硫化鋅ZnS紅外整流罩為例，進(jìn)行純熱仿真分析，ZnS材料強(qiáng)度極限max大于純熱，判定整流罩可以進(jìn)入約束狀態(tài)研究。經(jīng)約束G的熱試驗(yàn)驗(yàn)證，整流罩未炸裂，佐證此方法為整流罩選材提供一種快捷判斷。

純熱應(yīng)力；快速力學(xué)判據(jù)；自由狀態(tài)，紅外整流罩

0 引言

隨著紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈速度和射程的不斷提高，加之其鈍頭外形[1]，靠近紅外整流罩表面的來(lái)流高馬赫數(shù)空氣，特別是附面層部分受到摩擦和阻滯，產(chǎn)生大量熱氣流，這些熱氣流以對(duì)流換熱形式進(jìn)入紅外整流罩結(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)受熱，即氣動(dòng)加熱w[2]。w對(duì)整流罩結(jié)構(gòu)有很大影響，當(dāng)其加熱產(chǎn)生的熱應(yīng)力熱超過(guò)整流罩強(qiáng)度時(shí)，整流罩強(qiáng)度極限max失效（炸裂）。這就是所謂“熱障”問(wèn)題[3]。由于熱障問(wèn)題的主動(dòng)因素是熱，因此，為了緩解“熱障”，針對(duì)整流罩熱展開(kāi)分析，給設(shè)計(jì)提供必要的力學(xué)參考。

目前，有多種關(guān)于極端環(huán)境下整流罩熱應(yīng)力熱沖擊研究。兵器209所紅外整流罩材料尖晶石spinel試片熱震沖擊[4]，航空014基地的藍(lán)寶石sapphire紅外整流罩熱應(yīng)力沖擊[5]，長(zhǎng)春光機(jī)所的氟化鎂（magnesium fluoride）共形整流罩熱應(yīng)力分析[6]，上海交大與航天八院半球形氟化鎂紅外整流罩的電弧風(fēng)洞試驗(yàn)分區(qū)與熱應(yīng)力分析[1]，美國(guó)雷神公司（Raytheon Company）的紅外導(dǎo)彈整流罩駐點(diǎn)氣動(dòng)熱w簡(jiǎn)化分析[7]，美國(guó)約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室（Johns Hopkins APL）的藍(lán)寶石sapphire紅外導(dǎo)彈整流罩0°，30°，60°駐點(diǎn)氣動(dòng)熱w試驗(yàn)研究[8]，美國(guó)雷神公司的紅外導(dǎo)彈整流罩氣動(dòng)熱w沖擊綜合品質(zhì)因素分析[9]，然而，關(guān)于紅外整流罩自由狀態(tài)純熱應(yīng)力純熱的分析，報(bào)道較少。

紅外整流罩自由狀態(tài)純熱應(yīng)力純熱的分析是一種根據(jù)熱彈原理[1-2]，為整流罩早期材料的選取和是否需要繼續(xù)進(jìn)行下一步整流罩約束狀態(tài)的研究，提供一種簡(jiǎn)單明了的快捷判斷方法。雖然導(dǎo)彈飛行過(guò)程中，整流罩處于與金屬殼體的位移約束G約束狀態(tài)，并不存在自由狀態(tài)的整流罩，但是根據(jù)熱彈原理[1-2]，熱應(yīng)力泛熱分為兩種，一種是純熱應(yīng)力純熱，另一種是熱應(yīng)力熱，熱由于約束位移G的引入，其值大于單純由溫度梯度?[1]引起的純熱，所以，根據(jù)熱應(yīng)力熱的這個(gè)特性，將純熱從熱應(yīng)力熱中剝離出來(lái)單獨(dú)分析，拋開(kāi)G的影響。然后，根據(jù)均勻溫度場(chǎng)均勻的?最小，結(jié)合?與純熱應(yīng)力純熱成正比，判斷由均勻引起的純熱最小，因此，以均勻引起的純熱單獨(dú)沖擊自由狀態(tài)整流罩，可據(jù)此查看整流罩材料強(qiáng)度極限max能否抵抗這種最小純熱，如果能，即max大于純熱，結(jié)合馮氏判據(jù)，繼續(xù)整流罩約束狀態(tài)熱應(yīng)力熱研究；否則，更換max更大的整流罩材料。顯然，由于不考慮G的影響，抓住引起整流罩熱炸裂的主動(dòng)因素?，所以，紅外整流罩純熱分析是導(dǎo)彈整流罩研制早期，高效選材的一種快速力學(xué)判據(jù)（Fast Force Judgement，F(xiàn)FJ）。而且，這種方法還可用于導(dǎo)彈整流罩熱炸裂故障診斷，因?yàn)閱螐膶?dǎo)彈整流罩熱炸裂的結(jié)果看，并不能分清是熱使得整流罩炸裂，還是純熱令整流罩熱炸裂。所以，需要將純熱剝離出來(lái)單獨(dú)分析，分清楚究竟是單獨(dú)純熱就導(dǎo)致整流罩炸裂，還是疊加了位移約束G的熱所致。如果是純熱導(dǎo)致，那就更換材料；如果是熱，可以調(diào)整位移約束G，為解決整流罩熱炸裂提供一種辦法。故，該方法可用于診斷風(fēng)洞試驗(yàn)中的整流罩是由于純熱導(dǎo)致熱炸裂，還是熱所致，只要將均勻溫度場(chǎng)均勻變更為試驗(yàn)所測(cè)的溫度邊界條件風(fēng)洞；同理，也可用于診斷掛飛導(dǎo)彈整流罩與試飛導(dǎo)彈整流罩的熱炸裂原因，根據(jù)診斷，采取不同的解決方案。

此外，針對(duì)整流罩純熱求解中，由于其處于自由狀態(tài)，剛度矩陣奇異，提出微約束G微法解決剛度矩陣奇異。針對(duì)整流罩力學(xué)特征軸對(duì)稱，提出采用軸對(duì)稱簡(jiǎn)化熱彈方程描述整流罩純熱，既突顯整流罩力學(xué)特性、便于分析查看，又節(jié)約計(jì)算資源。

1 純熱應(yīng)力分析

紅外整流罩純熱應(yīng)力分析分為兩個(gè)部分、兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：其一是整流罩材料的選擇與幾何外形尺寸的確定；其二溫度邊界條件G的設(shè)置。一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是彈性力學(xué)邊界條件的設(shè)置，微約束G微法解決自由狀態(tài)剛度矩陣奇異；另一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是純應(yīng)力純熱分析軸對(duì)稱簡(jiǎn)化。

1.1 材料及幾何外形尺寸

考慮到導(dǎo)彈紅外雙色制導(dǎo)以及抵抗氣動(dòng)力與氣動(dòng)熱的需求，整流罩材料需要較高的紅外中波和長(zhǎng)波透射率以及較高的材料強(qiáng)度極限max，目前可供選擇的典型材料有硫化鋅ZnS、硒化鋅ZnSe、CVD金剛石，其2mm厚度的和max如表1所示。

表1 雙色紅外整流罩材料光學(xué)性能與力學(xué)性能（厚度2mm）

如表1所示，CVD金剛石的綜合指標(biāo)是最好的，但其制備大尺寸球形殼體較困難，目前能夠制備的球殼體直徑70mm，直徑超過(guò)120mm大尺寸球形殼體制備未見(jiàn)報(bào)道，而紅外整流罩采用的大尺寸球形殼體直徑普遍超過(guò)120mm[13]，故舍去CVD金剛石。比較ZnS與ZnSe，二者光學(xué)性能相似，文獻(xiàn)報(bào)道經(jīng)過(guò)熱處理后的厚度5mm的ZnS中波與長(zhǎng)波的平均透射率平均達(dá)到73%[12]，厚度6mm的ZnS中波值接近70%，長(zhǎng)波值達(dá)到72%[13]，滿足導(dǎo)彈紅外成像制導(dǎo)需求[10-11]，可以作為導(dǎo)彈整流罩材料。ZnS力學(xué)性能max較ZnSe好，但其100MPa的max也不高，難以抵抗較大應(yīng)力的沖擊，由氣動(dòng)力與氣動(dòng)熱w產(chǎn)生。因此，有必要分析其，確定整流罩外形尺寸，再根據(jù)氣流速度和整流罩外形尺寸得出氣動(dòng)熱w，由w得出熱應(yīng)力熱，由于產(chǎn)生的氣動(dòng)應(yīng)力<<熱，不作重點(diǎn)分析。綜合分析光學(xué)雙色透射率，力學(xué)材料強(qiáng)度極限max，大尺寸半球殼體制備工藝三方面，初步選擇ZnS作為雙色紅外整流罩制備材料。然后，根據(jù)氣動(dòng)力和整流罩內(nèi)部空間要求設(shè)置ZnS整流罩外形及尺寸，文獻(xiàn)[14]指出，設(shè)定整流罩飛行速度飛行1～3Ma、零攻角、高度2.5km，考慮整流罩必須滿足max大于和裝載紅外探測(cè)器轉(zhuǎn)框的要求，將整流罩設(shè)置為直徑為150mm、厚度為6mm的半球殼體。如圖1所示。

圖1 紅外整流罩示意圖

1.2 溫度邊界條件TG

整流罩根據(jù)氣動(dòng)力設(shè)定幾何外形尺寸，以此為基礎(chǔ)，進(jìn)一步分析導(dǎo)致整流罩炸裂的主要因素?zé)釕?yīng)力熱，為了拋開(kāi)位移約束G影響，快速判斷初選材料是否能用，又從熱應(yīng)力熱剝離出主導(dǎo)因素純熱應(yīng)力純熱。單獨(dú)分析自由狀態(tài)下純熱，探索最小的純熱，找出既能覆蓋紅外探測(cè)器工作溫區(qū)，同時(shí)產(chǎn)生的純熱應(yīng)力純熱最?。?i>純熱min）的溫度邊界條件G，借此，以純熱中最小的純熱min試探整流罩強(qiáng)度極限max，查看整流罩強(qiáng)度極限max是否大于純熱min，據(jù)此判斷材料的取舍。如果材料max大于純熱min，繼續(xù)下一步約束研究；否則，換材料。整流罩純熱應(yīng)力純熱與熱應(yīng)力純熱min示意圖如圖2所示。

考慮到整流罩由于受到氣動(dòng)加熱w作用，其過(guò)高的溫度產(chǎn)生的熱輻射會(huì)導(dǎo)致紅外探測(cè)器過(guò)飽和，嚴(yán)重時(shí)會(huì)致盲，喪失探測(cè)功能，文獻(xiàn)[15]指出：整流罩溫度不能超過(guò)450K，否則會(huì)導(dǎo)致紅外探測(cè)器過(guò)飽和。所以將整流罩最高溫度設(shè)置為450K。根據(jù)文獻(xiàn)[1]指出純熱應(yīng)力純熱由溫度梯度?決定，與之成正比，顯然，溫度均勻場(chǎng)的純熱是最小的，綜合以上兩點(diǎn)，將整流罩外壁面外壁的溫度邊界條件G設(shè)置為450K均勻場(chǎng)外均。

同理，整流罩內(nèi)壁面也設(shè)置為溫度均勻場(chǎng)，由于整流罩密封，將其內(nèi)壁面設(shè)置為室溫300K，綜合以上兩點(diǎn)，整流罩內(nèi)壁面內(nèi)壁溫度邊界條件G設(shè)置為300K均勻場(chǎng)內(nèi)均。

考慮到整流罩密封，將其內(nèi)部空氣設(shè)置為靜止?fàn)顟B(tài)，所以整流罩內(nèi)壁面與空氣的熱交換設(shè)為自然對(duì)流，自然對(duì)流系數(shù)，由式(1)確定[16]：

根據(jù)這個(gè)公式，將D＝450－300＝150℃，＝0.069m，代入計(jì)算，得到自然對(duì)流換熱系數(shù)＝7.12W/m2×℃。

所以，整流罩溫度邊界條件：外壁面外壁為450K均勻場(chǎng)外均，內(nèi)壁面內(nèi)壁為300K均勻場(chǎng)內(nèi)均，內(nèi)壁面內(nèi)壁與空氣的熱交換設(shè)為自然對(duì)流，自然對(duì)流系數(shù)＝7.12W/m2×℃，由于考慮的是徑向溫度梯度?，整流罩端面端面溫度邊界條件G與之垂直，故，不計(jì)端面端面溫度邊界條件。

1.3 微約束

1.3.1 問(wèn)題分析

對(duì)于整流罩純熱應(yīng)力純熱的分析，由于其處于自由狀態(tài)，在采用有限元計(jì)算時(shí)，剛度矩陣奇異。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，從彈性力學(xué)原理分析，奇異是由于其離散的熱彈方程TE本身在描述整流罩純熱應(yīng)力純熱分析時(shí)，整流罩處于自由狀態(tài)，也就是說(shuō)，沒(méi)有彈性力學(xué)邊界條件G的約束，熱彈方程處于自由狀態(tài)，其解是通解通，不是唯一的特解特，反應(yīng)在離散的有限元方程組上，就是剛度矩陣奇異。

1.3.2 解決方法

根據(jù)這個(gè)分析，提出一種有別于以往采用罰函數(shù)法，加大數(shù)至奇異矩陣對(duì)角線元素，消除奇異[17]從數(shù)學(xué)層面解決奇異的辦法——微約束法，追本溯源，具化為物理力學(xué)中的剛度矩陣，根據(jù)熱彈力學(xué)原理，從物理層面解決奇異的問(wèn)題。剛度矩陣奇異的本質(zhì)原因是整流罩沒(méi)有彈性力學(xué)邊界條件G的約束，要解決剛度矩陣奇異，只有施加約束G，但是，求解整流罩純熱又要求沒(méi)有G，為了解決這個(gè)矛盾，提出微約束法，通過(guò)設(shè)置一個(gè)微小的彈性力學(xué)第一邊界條件微位移約束G微，既滿足彈性力學(xué)邊界條件G的約束，消除剛度矩陣奇異，又保證求解整流罩純熱應(yīng)力純熱所必須的自由狀態(tài)。即根據(jù)純熱應(yīng)力純熱是由于溫度梯度?引起的熱膨脹D引起的，那么根據(jù)牛頓第三定律作用力與反作用力反的互相作用在施力物體與受力物體上，只要約束整流罩邊界的施力物體置于膨脹D邊緣，此時(shí)，受力物體整流罩的反作用力反，即純熱不能作用于施力物體，那么，施力物體自然不會(huì)約束整流罩，只需將彈性力學(xué)邊界條件位移約束設(shè)置在整流罩受熱膨脹D邊緣，由于計(jì)算誤差，位移約束不可能正好等于D熱膨脹，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)偏差位移偏差，這個(gè)偏差位移偏差就是微位移約束G微，它巧妙的解決了求解整流罩純熱應(yīng)力純熱剛度矩陣奇異與自由狀態(tài)之間的矛盾，如圖3所示。。

圖2 紅外整流純熱應(yīng)力s純熱與熱應(yīng)力s熱示意圖

圖3 微約束示意圖

整流罩壁面位移約束由式(2)確定[18]：

式中：D為膨脹量；為膨脹系數(shù)；D為溫差；為整流罩內(nèi)半徑。

觀察整流罩外表面外，即外壁面外壁、內(nèi)壁面內(nèi)壁、端面端，根據(jù)圣維南應(yīng)力局部集中原理，端應(yīng)力集中系數(shù)最大，外壁則容易構(gòu)成封閉力學(xué)結(jié)構(gòu)，影響整流罩自由狀態(tài)，內(nèi)壁應(yīng)力集中系數(shù)小且為開(kāi)放力學(xué)結(jié)構(gòu)，在此處施加微約束，最逼近整流罩自由狀態(tài)，所以，選擇內(nèi)壁為約束對(duì)象，即彈性力學(xué)邊界條件的作用對(duì)象為內(nèi)壁。根據(jù)式(2)，將＝6.8×10－6K－1，D＝450－300＝150K，＝0.069m代入上式計(jì)算，得出＝7.038×10－5m，即內(nèi)壁的微約束為G微＝7.038×10－5m。

1.4 軸對(duì)稱

結(jié)合導(dǎo)彈研制早期工況零攻角設(shè)置要求，參考上述整流罩幾何外形及材料，溫度邊界條件G，彈性力學(xué)邊界條件位移約束的設(shè)置。可以得出整流罩純熱應(yīng)力純熱分析關(guān)于整流罩子午面的軸線對(duì)稱，包括幾何外形半球殼體軸對(duì)稱；材料是均質(zhì)ZnS，自然也是軸對(duì)稱；溫度邊界條件G軸對(duì)稱；彈性力學(xué)邊界條件位移約束軸對(duì)稱，所以，為了抓住整流罩軸對(duì)稱特性，突顯其軸對(duì)稱力學(xué)特性，給后續(xù)研究提供鮮明的力學(xué)參考，同時(shí)，也為了節(jié)約計(jì)算資源，因此，將三維整流罩純熱應(yīng)力分析簡(jiǎn)化為軸對(duì)稱，由以下方程表述[19]：

式中：、、為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)體徑向、軸向、環(huán)向熱應(yīng)力；f、f為徑向、軸向體力，由于結(jié)構(gòu)體軸對(duì)稱，環(huán)向體力為0，所以方程中沒(méi)有環(huán)向平衡微分方程。

整流罩軸對(duì)稱示意如圖4。

1.5 強(qiáng)度失效判據(jù)

根據(jù)馮氏應(yīng)力判據(jù)，破壞失效的發(fā)生條件是當(dāng)應(yīng)變能量達(dá)到其破壞值。這種情況下，應(yīng)變能量的等效應(yīng)力在本文中定義如下[20]：

式中：1，2，3為主應(yīng)力，Pa；[]為許用應(yīng)力，MPa。針對(duì)ZnS紅外整流罩，[]就是ZnS的材料強(qiáng)度極限max，其值為100MPa。

圖4 整流罩軸對(duì)稱示意圖

在各向同性體之中，應(yīng)變與應(yīng)力主向是重合的，此時(shí)，主應(yīng)力與、、與1，2，3是相等的[19]，也就是說(shuō)，求出、、，代入馮氏應(yīng)力判據(jù)，可以判斷應(yīng)力破壞失效。

2 物理模型

根據(jù)以上分析討論，以Ansys17為純熱應(yīng)力純熱分析平臺(tái)，采用APDL（ANSYS Parameter Design Language）語(yǔ)言編寫(xiě)紅外整流罩純熱應(yīng)力分析物理模型。據(jù)此，得到ZnS能否用于設(shè)定邊界條件下整流罩的選材判據(jù)以及開(kāi)展下一步約束研究的依據(jù)，同時(shí)，驗(yàn)證紅外整流罩純熱應(yīng)力純熱分析是一種高效快捷的力學(xué)判斷方法。

2.1 ZnS熱物性參數(shù)

溫度場(chǎng)熱導(dǎo)率是熱彈計(jì)算中重要的物性參數(shù)，描述物質(zhì)導(dǎo)熱能力的高低，的確定非常重要，工程計(jì)算中用到的數(shù)值通過(guò)專門實(shí)驗(yàn)測(cè)定。ZnS的熱物性參數(shù)如表2所示。

表2 ZnS熱物性參數(shù)

2.2 計(jì)算與分析

根據(jù)紅外整流罩的幾何尺寸及外形、溫度邊界條件G、彈性力學(xué)邊界條件的討論與分析，以及ZnS熱物性參數(shù)的分析，得出ZnS紅外整流罩物理模型，根據(jù)物理模型，以Ansys17為計(jì)算平臺(tái)，采用APDL編程計(jì)算得出整流罩純熱應(yīng)力，并展開(kāi)分析。

1）模型描述

幾何尺寸及外形：直徑150mm，厚度為6mm的半球形殼體；軸對(duì)稱簡(jiǎn)化；

溫度邊界條件：外壁面外壁為450K均勻場(chǎng)外均，內(nèi)壁面300K均勻場(chǎng)內(nèi)均，自然對(duì)流換熱，換熱系數(shù)＝7.12W/m2×℃，端面不施加溫度邊界條件；軸對(duì)稱簡(jiǎn)化；

彈性力學(xué)邊界條件：微約束G微，內(nèi)壁面內(nèi)壁位移約束G微＝7.038×10－5m，軸對(duì)稱簡(jiǎn)化；

2）力學(xué)分析單元與網(wǎng)格劃分

有限元建模分析采用Ansys17，選擇APDL語(yǔ)言建模，并選擇相應(yīng)的軸對(duì)稱熱分析單元PLANE55進(jìn)行求解，為確保應(yīng)力計(jì)算符合有限元單元體體內(nèi)應(yīng)力一致性，采用放射式劃分，即內(nèi)壁密實(shí)，外壁松弛。選擇與熱分析單元PLANE55對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)分析單元PLANE42計(jì)算純熱應(yīng)力純熱。

3）結(jié)果與分析

根據(jù)上述有限元模型討論分析，編寫(xiě)APDL程序制作出純熱應(yīng)力純熱有限元模型，求解、計(jì)算出溫度場(chǎng)與純熱應(yīng)力純熱，其等溫分布圖5可知，在整流罩外壁面外壁溫度邊界條件均勻＝450K（180℃）均布加載下，溫度場(chǎng)的溫度梯度?沿徑向逐層遞減分布，最低處為內(nèi)壁面內(nèi)壁，溫度179.6℃，各層溫度均勻分布。

圖5 整流罩等溫分布圖

純熱應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖6所示，剔除軸對(duì)稱設(shè)置引起的少數(shù)計(jì)算應(yīng)力計(jì)算尖銳點(diǎn)，整流罩的純熱基本均布，純熱應(yīng)力值純熱為30MPa，小于ZnS材料強(qiáng)度極限max的100MPa（根據(jù)1.4，馮氏應(yīng)力判據(jù)）。

圖6 整流罩等應(yīng)力分布圖

綜合上述模型熱應(yīng)力計(jì)算結(jié)果和分析，自由狀態(tài)下的ZnS紅外整流罩，450K溫度載荷均布加載，不會(huì)導(dǎo)致整流罩炸裂純熱失效。也就是說(shuō)，自由狀態(tài)下的整流罩可以抗住最高溫度450K、以及內(nèi)外表面最大溫差150K的熱沖擊。覆蓋整流罩內(nèi)紅外探測(cè)器工況溫差150K。

3 試驗(yàn)證明

根據(jù)2.2節(jié)ZnS整流罩物理模型純熱應(yīng)力純熱分析得出，純熱小于max，可以開(kāi)展下一步約束狀態(tài)研究，采用與ZnS整流罩物理模型相同外形尺寸與熱物性參數(shù)的整流罩實(shí)體，開(kāi)展溫度邊界條件包絡(luò)300～450K的約束狀態(tài)下熱應(yīng)力熱沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明整流罩并未產(chǎn)生熱炸裂，即熱小于max，如圖7所示。

圖7 ZnS整流罩約束s熱沖擊實(shí)物圖

根據(jù)熱彈原理[1-2]，ZnS紅外整流罩自由狀態(tài)的純熱小于其約束狀態(tài)整流罩的熱，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果熱小于max，根據(jù)不等式傳遞性，得出純熱小于max，與模型計(jì)算結(jié)果純熱30MPa小于max100MPa匹配，由此佐證了紅外整流罩純熱應(yīng)力純熱分析的正確性。同時(shí)，也驗(yàn)證了紅外整流罩純熱應(yīng)力純熱分析可為導(dǎo)彈整流罩早期選材研究提供一種快速判據(jù)。

4 結(jié)論

針對(duì)紅外整流罩熱炸裂max失效，從其主要因素?zé)釕?yīng)力熱中剝離出純熱應(yīng)力純熱分析，抓住純熱在熱中的主導(dǎo)性，高效、簡(jiǎn)單、快捷地指出初步選擇的整流罩材料是否能用，是一種紅外整流罩研制早期的快速力學(xué)判斷方法。

1）ZnS整流罩物理模型純熱應(yīng)力純熱為30MPa，小于其材料ZnS強(qiáng)度極限max＝100MPa，不必更換材料，可以開(kāi)展下一步約束狀態(tài)研究來(lái)模擬整流罩固結(jié)與導(dǎo)彈金屬殼體的實(shí)際工作狀態(tài)。在約束狀態(tài)研究中，與模型相同的實(shí)體ZnS整流罩在熱的沖擊下，并不炸裂，即熱小于max，結(jié)合熱彈原理純熱小于約束狀態(tài)的熱，根據(jù)不等式傳遞性，得出純熱小于max，與模型計(jì)算結(jié)果純熱30MPa小于max100MPa匹配，由此佐證了紅外整流罩純熱應(yīng)力純熱分析的正確性。而且，30MPa的純熱與100MPa的純熱相比較，占比達(dá)到30%，驗(yàn)證了純熱分析在整流罩早期研制中，可作為一種選材和開(kāi)展下一步研究的快速力學(xué)判據(jù)。

2）為了支撐純熱應(yīng)力純熱分析的快速判斷，根據(jù)純熱由溫度梯度?決定且成正比的理論，提出采用?最小的溫度均勻場(chǎng)均勻來(lái)試探整流罩材料強(qiáng)度極限max的承受力，并且，均勻應(yīng)覆蓋紅外探測(cè)器工作溫區(qū)。

3）從物理層面，提出微約束法解決整流罩自由狀態(tài)求解純熱應(yīng)力純熱剛度矩陣奇異的問(wèn)題，有別于以往數(shù)學(xué)層面的罰函數(shù)大數(shù)矩陣法，更貼近力學(xué)邊界條件。

4）針對(duì)紅外整流罩軸對(duì)稱特性，根據(jù)彈性力學(xué)原理，提出以軸對(duì)稱方式簡(jiǎn)化三維分析，既凸顯整流罩力學(xué)分析的主要特質(zhì)，又節(jié)約計(jì)算資源。

5）紅外整流罩純熱應(yīng)力純熱分析還可以為后續(xù)的整流罩熱炸裂提供故障診斷判據(jù)，也就是分清是純熱導(dǎo)致熱炸裂，還是疊加位移約束G所致，方便采取不同的應(yīng)對(duì)策略，做到有的放矢，減少無(wú)效工作。

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Infrared Dome Pure Thermal Stress Analysis

JIANG Hong，LIN Yu

(Kunming Institute of Physics, Kunming 650223, China)

When supersonic infrared guided tactical missiles fly, the infrared dome of the missile is affected by the intense aerodynamic heat. The thermal stress generated by heat is the main factor causes thermal cracking of the dome. In response to this problem, in the early development stage of the missile dome, a simple and quick method to select the dome material and whether the next restraint state can be studied is to simulate the actual working state of the solidified missile metal shell of the dome, infrared dome pure thermal stress analysis. The pure heat caused by the temperature gradient?Tof the free state dome is separated from the larger heat caused by the superimposed displacement constraint, the smaller pure heat is analyzed separately. The leading factor causing the thermal explosion of the dome is analyzed. Combining the dual-color infrared transmission requirements, taking the zinc sulfide infrared dome as an example, the pure heat simulation is analyzed. The strength limit of ZnS material is greater than pure heat, and the dome can enter the constrained state. In the thermal test the dome did not burst, which proves that this method can be used for the selection of dome materials.

pure thermal stress, fast force judgement, freedom status, infrared dome

TN214；TJ762

A

1001-8891(2021)03-0292-07

2020-12-07；

2021-01-31.

江宏（1980-），男，碩士研究生，助理工程師，研究方向：光電系統(tǒng)工程，E-mail:2790379510@qq.com。

林宇（1972-），男，研究員級(jí)高級(jí)工程師，博士生導(dǎo)師，主要從事光電領(lǐng)域方面的研究，E-mail:lwlinyu@163.com。