首页/文章/ 详情

这些坑勿踩!我的弹载设备“热考核试验”与仿真对照

2年前浏览2234

导读:大家好,我是仿真秀专栏作者青梅煮酒,自7月2日首次在仿真秀平台直播航天产品中的随机振动分析与案例实操已过去4个多月。此外,我也好久没更新原创文章了,实在太忙了!最近我做了一次热考核试验,以前从没有做过。以往都是高低温试验、老练试验等等。这次热考核试验是我 干型号以来第一次接触,确实踩了很多坑,总结了一些经验,在这里跟大家分享一下。
先前我在仿真秀也发布系列的有限元分析文章,欢迎大家收藏和分享。
  • 有限元仿真分析误差来源之网格划分

  • 有限元仿真分析误差来源之边界条件,约束和point mass

  • 有限元仿真分析误差来源之材料参数设置,小心为妙!

  • 有限元仿真分析误差来源之边界条件设置-动载荷

  • 有限元仿真分析误差来源之固有频率

  • 有限元专场 | 有限元仿真分析误差来源之剪力自锁+沙漏效应

一、什么是热考核试验

热考核试验是针对弹载设备,考核弹上设备是否能适应弹上热环境的试验。这样说感觉太笼统,不好理解。具体的说,就是做一个工装用来模拟弹舱,将设备装进工装里,模拟弹上的安装条件,通过石英灯或者其他方式,对这个模拟弹舱的工装进行加温,模拟工装的温度同弹舱的温度相同,于此同时,设备按正常的工作剖面进行工作。

图片来自网络

有些同学可能会问,通过高低温试验能否覆盖这种热考核试验呢?细想下,确实很难,首先高低温试验基本实在常压下进行,设备可以通过对流进行热交换,而真实的弹上热环境是在低气压下,此时对流已经基本不起作用了。其次,高低温试验受限于温箱的能力,很难将温度加热到弹上真实的温度,一般来说,弹舱内壁温度有的高达300度。最后高低温试验也无法模拟弹上的安装条件,这样弹舱对设备热传导影响也无法评估。
因此热考核试验对于考核弹上设备热环境适应性是十分必要的。

二、热考核试验问题

1、控温问题

对于金属部件,控温不存在问题,通过仿真也可以看出,即使是10mm厚的铝板,瞬态传热过程中内外壁的温差也很小。但是对于非金属部件就会存在控温问题,图中顶部是一个非金属隔热部件,在这次试验中就对这个部件的控温调整就做了将近1周。有同学就问了,为什么要用非金属呢?用金属,只要保证试验温度和真实弹壁温度一致不就行了。这是一个好问题,在实际飞行中,弹载设备的传热以辐射为主,辐射热流除了和温度有关,还与发射率有关。其实采用同发射率的耐高温漆,或者通过等热热流进行折算也应该可以。折算公式如下。
也就是
但是总体就是觉得应该用实际弹上材料,才能保证发射率一致。
于是呢,总体就给了一块这种材料的样品,结果他没有保护好,样品裂了,总体又出了个馊主意把这个四分五裂的样品粘在结构板上,试验就变成了如下形式。
这样就给控温带来了巨大的问题,本来这个样品的传热系数就小,现在变成分层式的,由于接触热阻的存在,使得整个热阻变得更大,导致热响应滞后。
于是,我们改变策略,不直接控制内壁温度,而是通过控制外壁温度使得内壁温度为目标温度曲线。这就需要仿真或者解析计算的方式来找出这条曲线。

2、仿真分析

其实仿真模型很简单,就是两块板如下图所示。
当上下面板均为金属铝,且接触热阻为0时,计算结果如下
可以看出上下面板的温差极小,再看温升曲线图
最高温度温升曲线和最低温度的温升曲线基本重合,证明采用金属材料,内外壁的温度响应是一致的,控温是没有问题的。
当变成非金属时,看看仿真分析结果。
温差为3度,再看下再看温升曲线图
可以看出虽然有温差,但最高最低温度的跟随趋势是一致的。可是现实是残酷的,真实的试验数据并不是这样的,内外壁温度相差将近60度。是什么原因导致这样的结果呢?首先材料参数不会错,这个都是厂家做过试验的,其次温度曲线不会有问题,那么最后的可能就是在接触热阻了。事实上也确实是接触热阻的问题。
粘接这两个面板的胶无法耐受这么高的温度,在两个面板之间形成了空鼓,最后拆卸工装的时候,确实证实了这个情况。在低气压条件下这种空鼓传热,就会从热传导退化成热辐射,传热效率就会大大降低,在这种条件下就我们用workbench进行仿真。
对单板施加辐射条件,如图所示。
可以看到在图中框中需要添的发射率emissivity,但是大家想一想,这个发射率添什么呢?
这里是两个面板,两个面板的发射率都是0.8,那添0.8对吗?显然是不对的,在这里了实际是灰体表面平行板辐射模型,应该计算等效的发射率。平行板等效发射率计算公式如下所示。
这样当面板的发射率均为0.8时,计算出的等效发射率为0.66.
同样在面板的另一面也施加相关的辐射条件,计算结果如下所示。
我们可以用专业一点的热辐射仿真工具来验证下这个结论。西门子的NX软件,可不只是设计建模软件,它集成的一个模块叫space system thermal,它的求解内核可是大名鼎鼎的TMG,这个是卫星热设计工程师经常用到的仿真软件,在sinda出现之前,它几乎是工程师的唯一选择。卫星最主要的散热途径就是热辐射,因此space system thermal的热辐射仿真还是比较专业的。
建立模型中间用实体单元,上下面板采用壳单元,在实体单元的上下面再分别建立壳单元,使壳单元的法线相对,如下所示。
在壳单元之间建立热辐射耦合,如下所示
最终仿真结果如下所示。
提取中间实体的上表面壳单元的温度如下所示。
可以看出,nx计算结果和workbench计算结果相差不大,为4度,并同试验结果基本吻合。证明在workbench中的辐射仿真中发射率要添加折算后的等效发射率,不能简单添加物体表面发射率。

三、结论

热考核试验是十分重要的试验,对评价弹载设备的热环境适应性具有重要的意义。首先,设计工装时,一定要避免双层结构出现,会给控温带来巨大的麻烦。其次,采用workbench进行热辐射仿真时,要计算等效的发射率。
这就是笔者一次热试验引发的思考,如有不当欢迎批评指正。也欢迎大家在仿真秀官网搜索同名文章进行评论留言与我互动。点击回放笔者直播公开课《航天产品随机振动分析与案例实操》。
四、读者福利
以下CAE仿真入门学习包,供仿真设计工程师和理工科学子CAE入门学习使用。该学习资料永久更新 ,长期免费,内容持续更新中,扫码领取。如果遇到麻烦请回复 小助手  进行人工咨询或邀请进群 交流。

(完)
作者:青梅煮酒,仿真秀优秀讲师
声明:部分图片和内容转自网络,如有不当请联系我们,欢迎分享,禁止私自转载,转载请联系我们。

来源:仿真秀App
振动航天材料热设计控制试验
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2022-11-08
最近编辑:2年前
仿真圈
技术圈粉 知识付费 学习强国
获赞 10228粉丝 21739文章 3591课程 222
点赞
收藏
未登录
还没有评论
课程
培训
服务
行家
VIP会员 学习计划 福利任务
下载APP
联系我们
帮助与反馈