強(qiáng)度與環(huán)境,2001(3)Structure &. Environment Engineering, 2001(3)導(dǎo)彈天線罩靜熱聯(lián)合試驗(yàn)及其熱強(qiáng)度分析王端志高萬鏞(北京強(qiáng)度環(huán)境研究所,北京,100076)摘要:本文介紹了導(dǎo)彈天線罩地面模擬試驗(yàn)的技術(shù)與方法,并采用有限元素法求解某型號天線罩結(jié)構(gòu)在熱流與機(jī)械載荷的作用下,結(jié)構(gòu)內(nèi)部隨時間變化的溫度場及應(yīng)力場。計算時主要是依據(jù)模擬試驗(yàn)中所施加的邊界條件和載荷條件進(jìn)行的關(guān)鍵詞:天線罩;熱試驗(yàn);熱強(qiáng)度;有限元法中圖分類號:V416.4文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1006-3919(2001)03-0001-091前隨著型號的不斷發(fā)展,導(dǎo)彈以高馬赫數(shù)在大氣層中飛行時,氣動加熱問題日趨嚴(yán)重,結(jié)構(gòu)熱問題越來越受到人們的重視,熱環(huán)境”已作為結(jié)構(gòu)設(shè)計的外載荷條件列入了設(shè)計規(guī)范結(jié)構(gòu)熱試驗(yàn)作為研究結(jié)構(gòu)熱問題的有效方法,目前已成為彈(箭)結(jié)構(gòu)設(shè)計、強(qiáng)度及可靠性分析、產(chǎn)品性能檢驗(yàn)和鑒定的重要手段之一。但是由于飛行器的飛行環(huán)境十分復(fù)雜,單純地靠地面試驗(yàn)是不可能全真模擬這種環(huán)境條件,只能在簡化的基礎(chǔ)上近似模擬,加上試驗(yàn)本身的誤差,不可避免地要借助多種手段。為配合熱結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的研究,印證試驗(yàn)的合理性以及彌補(bǔ)試驗(yàn)的不足,從而促進(jìn)結(jié)構(gòu)熱試驗(yàn)技術(shù)向更高的水平發(fā)展,對試驗(yàn)件進(jìn)行理論分析與計算工作是至關(guān)重要的同時,對試驗(yàn)中的問題進(jìn)行準(zhǔn)確地分析和計算也是開發(fā)計算機(jī)仿真技術(shù)的必要前提,仿真技術(shù)與結(jié)構(gòu)熱試驗(yàn)技術(shù)的密切結(jié)合,必將成為解決結(jié)構(gòu)熱問題很有前途的發(fā)展方向天線罩結(jié)構(gòu)是導(dǎo)彈型號設(shè)計、研制階段的重要部件,由于飛行時天線罩受氣動加熱較為嚴(yán)重,機(jī)動飛行時要承受復(fù)雜的氣動載荷以及為了透過電磁波采用非金屬材料而承載能力較差等原因,其強(qiáng)度、剛度是否合格直接影響到型號的設(shè)計定型。目前研制單位一般要進(jìn)行熱強(qiáng)度試驗(yàn)來考核其是否合格。2靜熱聯(lián)合試驗(yàn)中國煤化工結(jié)構(gòu)熱試驗(yàn)是以設(shè)計部根據(jù)彈道和氣yHCNMHG件為依據(jù),進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)收稿日期:2000-12-04作者簡介:王端志,男,1972年6月生,漢族,江蘇連云港人,碩土,工程師(100076)北京強(qiáng)度環(huán)境研究所;高萬鏞,男,1942年3月生,漢族,北京人,研究員(100076)北京強(qiáng)度環(huán)境研究所計。天線罩的靜熱聯(lián)合試驗(yàn)包括高溫?zé)釠_擊試驗(yàn)、靜力載荷試驗(yàn)、靜熱聯(lián)合試驗(yàn)。試驗(yàn)安裝示意圖如圖1所示。根據(jù)設(shè)計部給定的數(shù)據(jù)和要求,采用溫度控制進(jìn)行加熱。由于天線罩結(jié)構(gòu)各個部位的氣動加熱狀態(tài)不同,各部位表面所吸收的熱流密度呈非均勻分布狀態(tài),要在大面積上實(shí)現(xiàn)一個非均勻分布的熱場,最有效的方法是把整個加熱器進(jìn)行離散化控制,即將整個加熱器劃分為多個溫區(qū)。理論上講,溫區(qū)劃分得愈多,加熱模擬的效果愈真實(shí),在可能的條件下應(yīng)當(dāng)遵循“區(qū)小域多”的原則,但與此同時增加了設(shè)計和試驗(yàn)的復(fù)雜程度,在當(dāng)前條件下難于實(shí)現(xiàn)。因此在天線罩靜熱聯(lián)合試驗(yàn)中主要根據(jù)試驗(yàn)大綱的要求優(yōu)化設(shè)計合理布局,將加熱器劃分六個控溫區(qū),并且兩兩對應(yīng)一致?？販攸c(diǎn)分別位于天線罩上、中、下三段的典型點(diǎn)上,三點(diǎn)控溫數(shù)據(jù)如表所示。由于外表面需要進(jìn)行加熱,所以機(jī)械載荷的施加采用內(nèi)加載,加載頭用橡膠纏繞起緩沖作用,以施加面力的方式防止集中力對試件產(chǎn)生破壞天線罩結(jié)構(gòu)近似于錐體(具體結(jié)構(gòu)見圖1),主體是陶瓷段,底部通過膠層與殷鋼環(huán)連接。用豎直的安裝方式將天線罩固定在鑄塊上。采用碘鎢石英燈輻射加熱器進(jìn)行加熱,加熱器由兩個錐狀半圓柱合并而成,共分上、中、下三排燈,分別對應(yīng)六個溫區(qū)。通?？刂品绞街饕袩崃骺刂?、溫度控制二種方式,其中以熱流控和溫度控較為常見。熱流控一般由設(shè)計部提供熱壁熱流數(shù)據(jù),試驗(yàn)前要作損失項(xiàng)與位置系數(shù)旳修正,中間環(huán)節(jié)較多,相對麻煩,但比較成熟。在此試驗(yàn)中,由于只給定邊界溫度曲線,所以采用溫度控制方式,并保證加熱與機(jī)械載荷在時域、空間域上合理疊加2。3相關(guān)理論與方程求解般的非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)方程是div (kgradT)+q= pCp在直角坐標(biāo)系中表示為”a d(k)+,(k中國煤化工亞(2)CNMHG邊界條件在S1邊界上t>0在S2邊界上t>0g=gr+其中萬為數(shù)瓣射換熱熱流,為對流換熱熱流,q為給定熱流。一般來說、9的表達(dá)式分別為ge =h(T-T式中T。為周圍環(huán)境溫度,h為對流換熱系數(shù)初始條件為T(x,y,z,0)=Tn,t=0,(x,y,)∈9利用有限元素法對導(dǎo)熱微分方程的邊值問題進(jìn)行求解般有兩種解法,一種對其直接求解,選取試探函數(shù)利用加權(quán)余數(shù)法。另一種是利用微分方程的邊值問題與泛函求極值問題的等價性原理,即變分有限元法3與方程(2)及邊界條件(3)、(4)對應(yīng)的泛函可寫成JqT'ds +0.5h(T"2-T.T)ds將求解域離散成ne個單元,每個單元有r個節(jié)點(diǎn),任意一個單元或子域記作De,即Dde,則每個單元上的泛函為Lk,(2)2+kDy)2+k(決)2+2(q+Cp)Td+Tds+0.5h(Te-ToT')每個單元內(nèi),溫度函數(shù)可表示為(x,y,2,1)=∑NTi=[N][又由于I=∑1·m、=、=∑=0可推導(dǎo)出有限元列式K][們門]+[N]?7式中[K]—整體溫度剛度矩陣N]——整體變溫矩陣節(jié)點(diǎn)溫度矩陣求解非定常溫度場時,還要考慮時間坐標(biāo),一般采用向后差分法。對于任意時刻t有K工,+[N(),=[P1在求解瞬態(tài)溫度場時,一般已知的是初中國煤化工,門),項(xiàng)用差分法展CNMHG或所以有3([K]+M[N]7=N[NT-+[P1式中,T]s為已知的初始溫度場,由此求出t時刻的溫度場[],然后再用t+M代替上式中的t,就可求出t+Δt時刻的溫度場。照此遞推,可以求出時間步長為△t的各個時刻的溫度場計算岀溫度場分布后,可以計算罩體的應(yīng)力場。根據(jù)最小位能原理可推導(dǎo)出[K][δPn+[P7]其中[PrJ=[T(r,y, 2,DB][]du[K]-[B][D][B]du幾何矩陣,[D]——彈性矩陣又根據(jù)應(yīng)力、應(yīng)變和位移之間的關(guān)系[e]=[B][],[a=D]([e]-[Ta])(10)即可求出應(yīng)力[σ。4某型號天線罩聯(lián)合試驗(yàn)的計算結(jié)果與試驗(yàn)分析4.1天線罩有限元模型天線罩結(jié)構(gòu)為陶瓷材料的旋轉(zhuǎn)殼體,根部由膠層與連接環(huán)粘結(jié)在建立模型時均采用六面體單元,在徑向(厚度方向)共分四層。在劃分有限元網(wǎng)絡(luò)時,考慮到模型結(jié)構(gòu)長徑比很大及局部復(fù)雜性,同時為了使連接部位單元節(jié)點(diǎn)合并進(jìn)行的連續(xù)協(xié)調(diào),因此根據(jù)模型特點(diǎn)對其分區(qū)處理,并在局部復(fù)雜處增大單元劃分密度。模型圖見圖3jA中國煤化工CNMHG圖3天線罩有限元俁坐圖4.2靜載作用下罩體應(yīng)力場計算在計算應(yīng)力時,殷鋼環(huán)底部一段為固定約束,在罩體內(nèi)壁作用點(diǎn)周圍的一小面積上施加面力,力的大小是根據(jù)設(shè)計部所給的氣動載荷數(shù)據(jù)換算而來。試驗(yàn)前首先對天線罩在此載荷作用下、常溫條件時的應(yīng)力場進(jìn)行了計算,設(shè)計載荷下應(yīng)力分布如圖4,計算的目的除了對罩體進(jìn)行強(qiáng)度分析外,也為加載頭的合理設(shè)計提供了理論依據(jù),保證試驗(yàn)的順利進(jìn)行。HOM-LAYoTED DNM圖4靜力條件下陶瓷段的應(yīng)力分布圖4.3熱沖擊試驗(yàn)條件下罩體的溫度場與應(yīng)力場試驗(yàn)時將試件分為六個溫區(qū),且兩兩對應(yīng)。即已知第一類邊界條件(3)T1、T2、T3。計算時,考慮到罩體內(nèi)表面與空氣接觸,由于罩內(nèi)空氣導(dǎo)熱系數(shù)和勢容較小,所以計算中忽略天線罩內(nèi)空氣所吸收的熱量,按絕熱邊界條件處理,這樣簡化對計算結(jié)果的影響很小,較符合實(shí)際情況圖5~圖11分別給出了天線罩結(jié)構(gòu)在40秒、1410秒時溫度場、應(yīng)力場分布圖以及罩體在30秒前各層及內(nèi)外表面各個溫區(qū)隨時間變化的溫度曲線圖12為靜熱聯(lián)合作用下的應(yīng)力分布。其中圖10、圖11中黑線(B、D)為外表面施加溫度隨時間變化曲線,紅線(C、E)為試驗(yàn)時傳感器測量值,綠線(H、Ⅰ)為計算值最大誤差小于8%,表明有限元法求解結(jié)構(gòu)溫度場是十分有效和方便的計算方法4.4靜熱聯(lián)合作用下天線罩結(jié)構(gòu)的溫度場與應(yīng)力場靜熱聯(lián)合實(shí)際上考慮到將熱流與杋械載荷在時域和空間域上合理疊加。此時罩體由于受到氣動力作用而有微小變形,對溫度場中國煤化工二者聯(lián)合作用,對應(yīng)力場則會產(chǎn)生較大影響圖12為1410秒時靜CNMHG由計算可以看出當(dāng)結(jié)構(gòu)既承受熱載又承受機(jī)械載荷時,最大應(yīng)力值明顯增大(靜載時mx=9.2MPa,聯(lián)合作用下om=13.2MPa)。5圖540秒時溫度引起的熱應(yīng)力云圖t1:teec.-(。N~爪YB圖61410秒時溫度分布云圖TRAN Vendee7-33-AD+: D19492心 Sadc sbae sdi Te.-o-L中國煤化工CNMH圖71410秒時溫度引起的熱應(yīng)力云圖100050010015002002500300圖8300秒前第一溫度區(qū)各層節(jié)點(diǎn)溫度隨時間變化曲線75.06so0101s5020200圖9300秒前第二溫度區(qū)各層節(jié)點(diǎn)溫度隨時間變化曲線Y中國煤化工CNMHG圖10第一溫度區(qū)計算值與試驗(yàn)測量值對比曲線圖11第二溫度區(qū)計算值與試驗(yàn)測量值對比曲線ALQ Secam Sr0°N- LAYEDLED TOMD圖121410秒時靜熱聯(lián)合作用下應(yīng)力分布云圖5結(jié)論本文對天線罩結(jié)構(gòu)承受高溫載荷的溫度場、熱應(yīng)力場及靜熱聯(lián)合作用旳應(yīng)力場分別進(jìn)行了分析計算,取得了良好的計算結(jié)果。溫度場的計算值與試驗(yàn)測量值吻合的很好。由于本試驗(yàn)是檢定性試驗(yàn),未做應(yīng)變測量,無法將計算應(yīng)力與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行比較。并且目前非金屬高溫應(yīng)變測量難度大、精度差,是急需解決的技術(shù)問題。作者認(rèn)為,由于有限元法計算的合理性及準(zhǔn)確性,只要天線罩結(jié)構(gòu)的材料力學(xué)參中國煤化工很大的可信度,對試驗(yàn)的實(shí)施能夠起到很好的預(yù)示作用tHaCNMHG參考文獻(xiàn)1]張鈺,雋據(jù)結(jié)構(gòu)熱試驗(yàn)技術(shù)M,北京:宇航出版社,1932]GF-A0015558G,王守禮·中國國防科學(xué)技術(shù)報告,低空超音速導(dǎo)彈天線罩靜熱聯(lián)合強(qiáng)度研究[R]北京機(jī)電工程研究所,1990-103]孫菊芳主編,有限單元法及其應(yīng)用[M].北京:航空航天大學(xué)出版社,1990[4]孔詳謙,有限單元法在傳熱學(xué)中的應(yīng)用M].北京:科學(xué)出版社,1986[5]王瑁成,邵敏.有限單元法基本原理和數(shù)值方法[M].北京:清華大學(xué)出版社,1997符號表T溫度(K)k——導(dǎo)熱系數(shù)(W/(m·K))0密度(kg/m3)a膨脹系數(shù)(1/K)比熱(J/(kg·K))h—換熱系數(shù)(W/(m2·K∈—黑度系數(shù)(應(yīng)變)σ——斯蒂芬常數(shù)(應(yīng)力)Antenna Cover Structure Thermal Test and Analysis UnderCombined Thermal and Mechanical loadsWANG Duan-zhi GAO Wan-yongBeijing Institute of Structure and Environment Engineering. Beijing, 100076Abstract: Thermal problem of structure has critical effect on the performance of missile and is being studiedheavily. As the flight environment of the aircraft is very complicate, it is essential to calculate and analyzethe thermal testIn this paper, using structure thermal test method, the antenna cover was studied and the temperatureand strain of the critical points were measured Using the finite element method, the temperature and strainfield, which changeged with time in the structure, was calculated while the antenna cover was suffering hightemperature thermal shock, heat flow and mechanical loading.Key words: Antenna cover i Structure thermal test: Thermal strength: Finite element method (FEM)中國煤化工CNMHG