回转体结构飞行器热强度试验研究及结构优化

发布时间：2020-11-21 06:45

　　 回转体结构是高速飞行器的关键部件,以导弹天线罩为代表,常被安装在飞行器头部最前端,起到防热、承载和保护内部电子设备的作用,已成为国内外研究的热点。回转体结构伴随飞行器在高速运动过程中,不仅外表面承受着巨大的气动热冲击,使其具有较大温度梯度,造成结构的承载能力下降;另一方面,内部结构在横向气动载荷作用下产生的机械应力与温度梯度产生的热应力叠加时,将对其结构与功能产生较大的破坏作用。因此,在回转体结构交付前,必须在地面进行热、力学性能试验。本文主要以当前航空航天领域防热、承力一体化结构为背景,以数值模拟为主要方法,结合回转体结构真实飞行条件下的力热联合试验加载技术的科研项目,开展相关研究。本文首先通过Ansys软件,对回转体结构飞行器热力耦合场下的力学性能进行分析,并对试验加载系统中的核心元件“仿型橡胶皮囊”进行静力加载分析;然后,以热强度试验为基础,完成了热强度试验平台设计;最后,对试验平台标校和试验状态下的调试用水冷测试模型进行了结构优化。通过本文研究得到以下结论:(1)在热力耦合场下,回转体结构上辐射加热单元区域与非辐射加热区域的交界位置出现最大等效应力,整体结构的尖端出现最大位移。温度载荷是影响回转体结构应力应变的主要因素。在保证结构完整性的情况下,回转体结构的最大安全载荷为1.0MPa。(2)仿型橡胶皮囊拟静力加载应力分布均匀,满足试验需求。在皮囊内压0.4MPa的工况下,仿型橡胶皮囊最大应力0.08MPa,最大变形0.08mm。仿型橡胶皮囊拟静力加载的运用,为热力耦合试验横向气动力载荷等效模拟提供了新方法。(3)设计并搭建了回转体结构飞行器热强度试验平台,完成了热强度试验前的首要工作。试验平台划分为试验工装系统、试验加载系统和试验测控系统三个部分,分别负责设备搭载、载荷加载和数据采集的工作,经调试后的热强度试验平台满足试验需求。(4)在试验平台标校和试验状态下,完成了调试用水冷测试模型的结构优化。经优化的冷却水道具备对模型的冷却能力,且随着水流流速逐渐增大,冷却能力逐渐增加。
【学位单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：V215;V415
【部分图文】：

中北大学学位论文12进行热力耦合试验时，内部连接环底部配有12个沿圆周均匀分布的螺栓孔，用于与试验平台进行固定连接。热载荷加载区域为大端底部轴向无量纲长度为0至0.18且环向角度为360°的范围（黑色辐射加热单元）内，接受石英灯灯组红外线热辐射，等效模拟飞行器气动热作用。均布载荷加载区域为大端底部轴向无量纲长度为0.18至0.55且环向角度为180°的范围（红棕色均布载荷加载单元）内，接受皮囊所施加的均布载荷，等效模拟飞行器静力载荷。2.4.2建立回转体结构有限元模型有限元仿真分析是针对真实物理模型的简化求解分析，因此在有限元仿真分析前，将真实物理模型作适当的简化，是有限元仿真分析的关键之一。由于回转体结构上各加载单元不完全对称，在有限元建模时不易简化，所以分别建立回转体各局部结构，通过布尔运算功能，将各局部结构进行粘结，最终得到回转体结构有限元模型如图2-4所示。图2-4回转体结构有限元模型Figure2-4FiniteElementModelofRotationalBodyStructure定义单元类型时，采用热分析实体单元，进行瞬态热辐射的有限元分析。具体选择ThermalSolid，Brick8node70，8节点三维六面体单元。2.4.3定义材料属性及划分网格（1）定义材料属性根据实际试验中回转体结构的材料，对其设置相应的属性，如表2-2所示。（2）划分网格划分自由网格时打开单元尺寸控制，网格全局单元尺寸设置为0.01，生成具有18715个节点、87557个单元的有限元计算模型。每个节点具有1个温度自由度，具体网格划分如图2-5所示。

中北大学学位论文13表2-2回转体结构飞行器材料属性Table2-2MaterialPropertiesofRotationalBodyStructureAircraft材料属性回转体结构内部连接环λ(W·m-1·K-1)1.511C(J·kg-1·K-1)8171648α(K-1)2×10-61.6×10-6μ0.090.3E(Pa)7.6×10102×1010σ(W·m-2·K-4)5.67×10-8—x0.85—注：1）λ为导热系数、C为比热容、α为热膨胀系数、μ为泊松比、E为弹性模量、σ为斯蒂芬玻尔兹曼常数、x为表面发射率。图2-5回转体结构网格示意图Figure2-5GridDiagramofRotationalBodyStructure2.4.4温度场分析前处理将石英灯组对受热区域的热辐射，假设为空间对该辐射面的均匀温度载荷。对回转体结构的热载荷加载区域进行辐射加热，设置加热时间为550秒，在起始时温度为室温25℃，当加热时间为550秒时温度达850℃，对应热辐射源的温度曲线如图2-6所示。选择瞬态分析，进行求解。2.4.5静力场分析前处理转换单元类型。选择ThermaltoStructural，系统自动将单元类型转变为StructuralSolid，Brick8node185，8节点三维六面体单元。删去*.rth格式文件加载，对均布载荷单元施加静力载荷，进行求解静力常对回转体结构的均布载荷加载区域进行均布载荷

中北大学学位论文1511.7MPa。螺栓孔边缘的应力约为20.3MPa，说明在热应力作用下螺栓孔处出现应力集中。内部连接环内侧边缘的应力为15.0MPa。内外壁应力最大值所在位置都位于大端尾端边缘，但不会导致回转体结构发生整体性结构破坏。回转体结构从大端尾部到尖端，内外壁的应力逐渐降低，外壁应力变化梯度高于内壁，其中外壁应力最大值为11.9MPa，内壁应力最大值为3.5MPa。图2-7温度场分布云图（温度单位：开尔文）Figure2-7DistributionCloudChartofTemperatureField(TemperatureUnit:K)从图2-8（b）可看出，回转体结构从大端尾部到尖端，内外壁的位移先逐渐增大，后逐渐减小并趋于稳定，且外壁位移变化梯度远高于内壁。其中外壁位移最大值为0.09mm，位于辐射加热单元区域与非辐射加热单元区域的分界位置，说明在辐射加热作用下，该处最容易发生破裂。此外该温度场下，回转体结构尖端位移为0.04mm。（a）热应力分布云图(a)DistributionCloudChartofThermalStress
【参考文献】

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本文编号：2892690