飛機(jī)蒙皮與內(nèi)飾組合結(jié)構(gòu)熱阻預(yù)測方法研究

張肖肖 趙旭升 秦強(qiáng) 叢琳華

摘要：針對由蒙皮、隔熱層、空氣層、內(nèi)飾板組成的組合結(jié)構(gòu)，本文提出了利用隔熱層等單一成分的少量試驗實測數(shù)據(jù)計算其整體等效熱阻的預(yù)測方法。該方法采用“熱流微調(diào)、溫度逼近”的計算思路，將組合結(jié)構(gòu)沿厚度方向離散化，調(diào)整熱流計算平衡溫度，同時能夠進(jìn)行考慮界面接觸熱阻以及隔熱層含水情況下的組合結(jié)構(gòu)熱阻計算。采用“實測熱流、雙向逼近”的方法來計算包含了空氣傳導(dǎo)、對流與上下界面間輻射傳熱效應(yīng)的空氣層熱導(dǎo)率。單一成分熱阻的預(yù)測值與實測數(shù)據(jù)相比十分接近，組合結(jié)構(gòu)的預(yù)測值規(guī)律性良好。

關(guān)鍵詞：組合結(jié)構(gòu)；熱阻；預(yù)測方法；飛機(jī)內(nèi)飾；隔熱層

中圖分類號：V250.2文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.06.006

飛機(jī)內(nèi)飾是飛機(jī)客艙的重要組成部分，沿客艙側(cè)壁截面從外到內(nèi)分別為蒙皮、隔熱層、內(nèi)飾板，以及空氣間隙組成的組合結(jié)構(gòu)，如圖1所示。該組合結(jié)構(gòu)在客艙隔熱降噪中發(fā)揮著重要作用，其整體等效熱阻在民機(jī)客艙溫度場分析和環(huán)控相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計中是十分重要的輸入?yún)?shù)。

近年來，關(guān)于“蒙皮+隔熱層+內(nèi)飾板”的組合結(jié)構(gòu)的研究更多集中在客艙熱載荷和溫度場計算中，在對組合結(jié)構(gòu)建模時通常對組合結(jié)構(gòu)傳熱參數(shù)的處理方式分為以下幾種：（1）直接將壁面作為絕熱邊界處理[1]；（2）將組合結(jié)構(gòu)傳熱特性進(jìn)行整體簡化處理，如參考文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]中分別直接采用Us、Udoor作為通過蒙皮與隔熱層等組合結(jié)構(gòu)的單位面積傳熱系數(shù)，未說明數(shù)據(jù)來源；（3）采用各成分相關(guān)物性參數(shù)進(jìn)行仿真分析，如參考文獻(xiàn)[4]～文獻(xiàn)[8]中分別建立了包含蒙皮、隔熱層、空氣層或內(nèi)飾板熱導(dǎo)率參數(shù)的理論分析模型，直接使用各成分的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，并且不考慮熱導(dǎo)率隨溫度的變化；（4）采用串聯(lián)或并聯(lián)模型根據(jù)各成分物性參數(shù)計算出組合結(jié)構(gòu)的等效參數(shù)，如參考文獻(xiàn)[9]中采用串聯(lián)法推導(dǎo)了側(cè)壁含隔框、含桁條、不含隔框和桁條三部分等效熱導(dǎo)率與蒙皮、隔熱層、空氣層、內(nèi)飾板等各成分的熱導(dǎo)率的關(guān)系式，采用并聯(lián)法推導(dǎo)了當(dāng)隔框與桁條剖面不在一個平面時的側(cè)壁組合結(jié)構(gòu)等效熱導(dǎo)率，參考文獻(xiàn)[10]和文獻(xiàn)[11]中也采用了串聯(lián)模型來表示組合結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，但是這些研究中計算得到的組合結(jié)構(gòu)等效熱導(dǎo)率都是定值，沒有涉及如何利用單一成分的物性參數(shù)來預(yù)測組合結(jié)構(gòu)在特定溫度邊界下的等效熱導(dǎo)率。

在單獨(dú)對組合結(jié)構(gòu)溫度分布的數(shù)值計算研究[12-13]中，一般假設(shè)物性參數(shù)不隨溫度變化，而實際當(dāng)中物性參數(shù)隨溫度變化顯著?？傮w而言，目前對內(nèi)飾板、隔熱層和組合結(jié)構(gòu)不同溫度下的隔熱性能測試和相關(guān)預(yù)測研究開展較少。試驗測試是獲取蒙皮材料、隔熱層、內(nèi)飾板等單一成分以及相應(yīng)組合結(jié)構(gòu)的熱導(dǎo)率與熱阻的有效手段，但存在試驗件制造成本高、測試周期長、對測試硬件條件依賴度高等問題，并且對于新的溫度工況、新的結(jié)構(gòu)組成仍然需要重新測試，不能滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計的快速需求，因此需要研究通過少量試驗數(shù)據(jù)來計算飛機(jī)蒙皮與內(nèi)飾組合結(jié)構(gòu)整體等效熱阻的預(yù)測方法。

本文擬將單一成分少量熱導(dǎo)率測試結(jié)果擬合得到熱導(dǎo)率隨溫度變化函數(shù)，之后將組合結(jié)構(gòu)沿厚度方向離散化，假定初始平衡熱流值，利用傅里葉穩(wěn)態(tài)傳熱定律計算沿厚度方向各節(jié)點(diǎn)溫度，逐步調(diào)整熱流水平直至下邊界溫度達(dá)到給定值，利用此時的平衡熱流與冷熱端溫度即可計算得到當(dāng)前條件下的熱阻值。

1測試對象

測試對象包括蒙皮復(fù)材試驗件、內(nèi)飾板、隔熱層和組合結(jié)構(gòu)，試驗件照片如圖2所示。蒙皮復(fù)材試驗件平面尺寸為10mm×10mm，厚度2～6mm不等，測試方法為閃光法，測試裝置為激光導(dǎo)熱儀。內(nèi)飾板為復(fù)材蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，厚度為10mm左右。隔熱層試驗件由內(nèi)部隔熱棉和外部包覆層組成，隔熱棉厚度為50.8mm。組合結(jié)構(gòu)由復(fù)材蒙皮、隔熱層、內(nèi)飾板組成，總高度為130mm左右，四周采用復(fù)材支架維持結(jié)構(gòu)高度，采用彈性繃帶維持隔熱層壓縮量和空氣層高度。內(nèi)飾板、隔熱層和組合結(jié)構(gòu)熱阻的測試方法為防護(hù)熱板法，測試裝置為采用防護(hù)熱板法設(shè)計的樣品尺寸為500mm×500mm的熱阻測試儀（見圖3）。

內(nèi)飾板包括三種測試工況，熱端溫度分別為44℃、34℃和25℃，冷端溫度分別為24℃、14℃和5℃。隔熱層包括三種測試工況，一端溫度恒為24℃，另一端溫度分別為80℃、5℃和-55℃，測試時壓縮量為25%。組合結(jié)構(gòu)包括5種測試工況，內(nèi)飾板一側(cè)溫度恒為24℃，蒙皮一側(cè)溫度分別為80℃、50℃、5℃、-25℃和-55℃。

2熱阻計算方法

2.1單一成分與組合結(jié)構(gòu)熱阻計算

參考有限元方法中的結(jié)構(gòu)離散化處理方式與材料參數(shù)插值計算以及穩(wěn)態(tài)傳熱迭代計算原理，將節(jié)點(diǎn)溫度整體求解更改為按照節(jié)點(diǎn)順序逐個求解，建立的單一成分熱阻預(yù)測的計算思路如圖4和圖5所示。首先根據(jù)測試得到的單一成分如內(nèi)飾板、隔熱棉的熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)，擬合出熱導(dǎo)率隨溫度變化的函數(shù)關(guān)系式λ=f （T）。將待預(yù)測的試驗件沿厚度方向分為很多薄層，每一層存在兩個節(jié)點(diǎn)，每一層的熱導(dǎo)率通過取其中一個節(jié)點(diǎn)溫度代入函數(shù)關(guān)系式求得，如首層熱導(dǎo)率為取自熱端溫度Th計算得到的f（Th），依此類推。初始熱流密度q取一極小值，由于Th、f（Th）、q和薄層厚度d1已知，可以根據(jù)傅里葉傳熱定律求得該層另一節(jié)點(diǎn)溫度：

對于蒙皮、內(nèi)飾板、隔熱層、空氣層熱阻計算均采用這一思路。其中計算多層疊加狀態(tài)下的隔熱層熱阻時，只需通過將上一層隔熱層得到的Tn作為下一層隔熱層的Th繼續(xù)向下計算，比較最底層隔熱層的Tn與冷端溫度的差距來調(diào)節(jié)熱流大小即可。

對于組合結(jié)構(gòu)，其熱阻計算原理與上述單一成分熱阻計算方法相同，將前一成分的Tn作為下一成分的Th，如蒙皮下表面的溫度作為隔熱層上表面的溫度、隔熱層下表面的溫度作為空氣層上表面的溫度、空氣層下表面的溫度作為內(nèi)飾板上表面的溫度，依次進(jìn)行上述計算過程，進(jìn)而完成從蒙皮至內(nèi)飾板的節(jié)點(diǎn)溫度求解。

2.2層間接觸熱阻處理

2.3空氣層熱導(dǎo)率處理

對于空氣層熱導(dǎo)率的取值，可采用兩種方式：一種是使用參考文獻(xiàn)[14]附錄5中大氣壓力下干空氣的熱物理性質(zhì)中的數(shù)據(jù)，將其擬合為空氣熱導(dǎo)率隨溫度變化的函數(shù)關(guān)系式λ=f（T），典型溫度范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)見表1；另一種方法是考慮到實際組合結(jié)構(gòu)中空氣層的傳熱方式為包含了空氣傳導(dǎo)、空氣對流，以及隔熱層下表面與內(nèi)飾板上表面之間輻射換熱的綜合換熱，將單一成分的測試數(shù)據(jù)與組合結(jié)構(gòu)的測試數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來，如圖6所示，利用單一成分的熱導(dǎo)率隨溫度變化的函數(shù)關(guān)系式λ=f（T）、組合結(jié)構(gòu)測試得到熱流密度q，同樣采用上述方法進(jìn)行計算，從蒙皮一側(cè)計算至隔熱層下表面，得到空氣層一側(cè)的溫度Ta1，再從內(nèi)飾板底面計算至內(nèi)飾板與空氣層接觸一側(cè)的表面，得到空氣層另一側(cè)的溫度Ta2，這樣便得到空氣層在熱流密度為q、厚度為d、上下表面溫度分別為Ta1和Ta2的穩(wěn)態(tài)傳熱情況，可計算得到空氣層在平均溫度為（Ta1+ Ta2）/2時的熱導(dǎo)率。按照此方法將所有數(shù)據(jù)計算一遍之后便得到一組空氣在不同溫度下的熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)，再將其擬合為空氣熱導(dǎo)率隨溫度變化的函數(shù)關(guān)系式λ=f（T）。得到空氣層熱導(dǎo)率后，其熱阻計算過程與上述方法沒有區(qū)別。

3預(yù)測精度分析

4組合結(jié)構(gòu)熱阻測試影響因素與預(yù)測結(jié)果

測試中發(fā)現(xiàn)相較于內(nèi)飾板和隔熱層熱阻隨溫度變化的良好規(guī)律性，組合結(jié)構(gòu)熱阻測試結(jié)果的規(guī)律性較差。分析影響其測試因素如下：

（1）蒙皮復(fù)材的固化變形

受制造工藝影響，組合結(jié)構(gòu)的蒙皮復(fù)材板具有一定程度的固化變形（一側(cè)內(nèi)凹，一側(cè)外凸），影響蒙皮與防護(hù)熱板裝置中面板的接觸狀態(tài)（見圖7），進(jìn)而影響二者間的接觸傳熱。

（2）組合結(jié)構(gòu)中的空氣層

如圖8所示，空氣為流體，測試過程中空氣層的傳熱方式為傳導(dǎo)與對流的耦合，并且傳熱的劇烈程度跟冷熱板的上下相對位置直接相關(guān)，熱板在上時，內(nèi)部傳熱為傳導(dǎo)為主，而熱板在下時，內(nèi)部傳熱表現(xiàn)為對流與傳導(dǎo)共同作用，而對流作用可能占主導(dǎo)地位。對于同樣冷熱邊界的測試，熱板在下方時對流換熱要比熱板在上方時更為明顯。同時由于間隙的存在，空氣層兩側(cè)隔熱層和內(nèi)飾板界面之間還存在輻射傳熱。因此，空氣層內(nèi)部的傳熱過程較為復(fù)雜，影響因素較多。

（3）隔熱層的褶皺狀態(tài)

隔熱層質(zhì)地柔軟，承壓能力較弱，并且內(nèi)部隔熱棉回彈性差，因此其壓縮量與壓力之間沒有規(guī)律性的關(guān)系，測試只能采用厚度控制。其表面包覆層容易發(fā)生褶皺，會對隔熱層與復(fù)材蒙皮之間的接觸狀態(tài)產(chǎn)生影響，內(nèi)部隔熱棉也容易發(fā)生褶皺，同樣影響包覆層與隔熱棉之間的接觸傳熱。

（4）測試工況與試驗件熱阻的匹配性

熱導(dǎo)率測試中試驗件厚度不易過厚，對于較厚的試驗件，冷熱端溫差應(yīng)相應(yīng)地增大。而組合結(jié)構(gòu)作為測試中厚度最大、熱阻最大的試驗件，5℃工況中冷熱端溫度僅相差19℃，所需的平衡熱流較小，并且熱端溫度24℃又接近室溫，難以使熱板中發(fā)熱元件達(dá)到較穩(wěn)定的較大加熱功率狀態(tài)，影響了測試結(jié)果的穩(wěn)定程度和精度。

綜合上述組合結(jié)構(gòu)件存在的諸多因素，導(dǎo)致其與防護(hù)熱板法要求的測試模型相距甚遠(yuǎn)，并且難以定量評估這些因素的綜合影響程度。因此，采用蒙皮、隔熱層、內(nèi)飾板等單一成分的測試結(jié)果，按照理想的測試模型，利用組合結(jié)構(gòu)熱阻預(yù)測方法來預(yù)測其熱阻值，可能比通過現(xiàn)有試驗件獲得的實測值更能接近理論的熱阻值。圖9和圖10為由鋪層順序為[45/-45/45/90/0/-45/0]s的復(fù)材蒙皮、兩層壓縮量為25%的50.8mm隔熱層、41mm空氣層、10mm內(nèi)飾板組成的總高度約130mm的組合結(jié)構(gòu)的熱阻預(yù)測值和平衡熱流預(yù)測值隨冷熱端平均溫度變化曲線，各測試工況的平均溫度分別為-15.5℃（-55℃工況）、-0.5℃（-25℃工況）、14.5℃（5℃工況）、37℃（50℃工況）、52℃（80℃工況）?？梢钥吹街苯痈鶕?jù)單一成分熱阻的實測值獲取組合結(jié)構(gòu)熱阻的預(yù)測值隨平均溫度升高而下降，平衡熱流的預(yù)測值與冷熱端溫差大小呈現(xiàn)正相關(guān)、與熱阻大小呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，兩種預(yù)測值的規(guī)律性良好，說明該預(yù)測方法可以滿足設(shè)計需求。

5結(jié)論

針對飛機(jī)蒙皮、隔熱層、空氣層、內(nèi)飾板組成的組合結(jié)構(gòu)，提出了整體等效熱阻的預(yù)測方法，進(jìn)行了相應(yīng)的試驗測試與預(yù)測精度分析，得到了以下結(jié)論：

（1）采用“熱流微調(diào)、溫度逼近”的預(yù)測方法，能夠通過單一成分的少量實測數(shù)據(jù)計算得到組合結(jié)構(gòu)等效熱阻。經(jīng)對比驗證，單一成分熱阻的預(yù)測值與實測數(shù)據(jù)相比十分接近，組合結(jié)構(gòu)的預(yù)測值規(guī)律性良好。

（2）組合結(jié)構(gòu)中空氣層的傳熱包含了空氣傳導(dǎo)、空氣對流以及隔熱層下表面與內(nèi)飾板上表面之間輻射換熱的綜合效應(yīng)，可以采用“實測熱流、雙向逼近”的方法來計算考慮上述效應(yīng)在內(nèi)的等效熱導(dǎo)率。

（3）受組合結(jié)構(gòu)件自身因素影響，準(zhǔn)確測試其熱阻存在一定問題。采用蒙皮、隔熱層、內(nèi)飾板等單一成分的測試結(jié)果，利用組合結(jié)構(gòu)熱阻預(yù)測方法來預(yù)測其熱阻值，可能比通過試驗測試獲得的實測值更能接近理論的熱阻值。

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（責(zé)任編輯皮衛(wèi)東）

The Prediction Method for the Thermal Resistance of the Assembled Structure Made of the Skin and the Interior

Zhang Xiaoxiao，Zhao Xusheng，Qin Qiang，Cong Linhua Aircraft Strength Research Institute of China，Xian 710065，China

Abstract： With small amount of test data of single compositon like the thermal insulation layer， a prediction method for the equivalent thermal resistance of the assembled sructure made of the skin， thermal insulaiton layer， air layer and the interior was presented.The assembled structure was discrete in thickness orientation and the equilibrium temperature was calculated with the modulated heat flux under the algorithm of "modulating heat flux slightly， approaching equilibrium temperature closely". The equivalent thermal resistance considering the thermal contact resistance and the thermal resistance of the thermal insulation layer with some extent of water could be also calculated. The thermal conductivity of the air layer considering thermal conduction， convection and radiation between its upper and lower surface was calculated by the algorithm of "approaching from both sides with the test heat flux". The predicted value of the thermal resistance of the single composition was quite close to the test data， and the predicted value of the thermal resistance of the assembled structure was good in orderliness.

Key Words： assembled structure； thermal resistance； prediction method； aircraft interior； thermal insulation layer