第13卷第1期中國慣性技術(shù)學(xué)報2005年2月文章編號:1005-6734(2005)01-0005-05慣性平臺熱場分析及熱設(shè)計的改進(jìn)楊盛林,劉昱,劉玉峰(天津航海儀器研究所,天津300131)摘要:通過對某型慣性平臺的熱場進(jìn)行有限元分析,確定了在原設(shè)計溫度控制點(diǎn)控制范圍內(nèi)該型慣性平臺的環(huán)境溫度適應(yīng)能力。利用傳熱學(xué)理論,對平臺中的強(qiáng)化換熱進(jìn)行了簡單的理論分析及計算并提出了改進(jìn)方案,以期對該型慣性平臺環(huán)境溫度適應(yīng)性的提高奠定基礎(chǔ)關(guān)鍵詞:慣性平臺;溫度場;有限元;強(qiáng)化換熱中圖分類號:U6661文獻(xiàn)標(biāo)識碼:AResearch on heat Field of inertial Platformand Improvement on Heat DesignYANG Sheng-lin, LIU Yu, LIU Yu-feng( Tianjin Navigation Instrument Research Institute, Tianjin 300131, China)Abstract: The ability of inertial platform to adapt the ambient temperature within the range oftemperature control point is ascertained through the analysis of one type of inertial platform,s heatfield with finite element simulation software. In order to apply some fundamental functions upon theimprovement on the inertial platform's adaptability to environmental temperature, intensifying heatexchange is studied using heat conduction theory and improved projects are also brought forwardKey words: inertial platform; temperature field; finite element; intensifying heat exchange慣導(dǎo)系統(tǒng)的精度受很多因數(shù)的影響,其中陀螺儀的性能是最主要的影響因數(shù)。在以液浮陀螺儀為核心元件的慣導(dǎo)系統(tǒng)中,由于液浮陀螺儀自身的工作原理,要求有嚴(yán)格的溫度控制。其中包括:工作溫度穩(wěn)定性的控制以及對陀螺浮子周圍溫度梯度的控制。為了保證前者,必須確保陀螺的工作溫度在環(huán)境要求的全溫度范圍內(nèi)恒定。但在大的環(huán)境溫度范圍內(nèi)完全依靠陀螺儀自身的溫控系統(tǒng)很難達(dá)到高穩(wěn)定性的要求。為此,必須采用多級溫控方式,即加強(qiáng)慣性平臺溫控,使陀螺儀在惡劣的環(huán)境溫度變化條件下能處于較好的溫度條件(例如±1℃),然后再利用陀螺儀自身溫控系統(tǒng)達(dá)到高的溫控精度(變化小于0.01℃)。慣性平臺設(shè)計的任務(wù)之一就是針對陀螺儀對多級溫控的要求進(jìn)行有效的平臺熱設(shè)計。陀螺是一個發(fā)熱元件,而外界又是一個由低到高具有大溫度范圍的環(huán)境。因此,從溫控要求角度看,慣性平臺是一個精確的兼顧散熱和保溫的具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的熱系統(tǒng)。為了達(dá)到既能保溫又可散熱的要求,應(yīng)為陀螺儀提供良好的溫度界面。以往常采用試驗(yàn)及模擬計算的方法來進(jìn)行平臺的熱設(shè)計,但由于平臺結(jié)構(gòu)復(fù)雜,很難保證計算的準(zhǔn)確性,使得慣性平臺的結(jié)構(gòu)熱設(shè)計難以達(dá)到要求。本文試圖從有限元方法著手,利用成熟的分析軟件對上述問題進(jìn)行探討,力求得到有益的設(shè)計指導(dǎo)中國煤化工基金項(xiàng)目:國防科技應(yīng)用、基礎(chǔ)研究項(xiàng)目CNMHG收稿日期:2004-11-27作者簡介:楊盛林(1978—),男,天沖航海儀器研究所研究生,研究方向?yàn)閷?dǎo)航、制導(dǎo)與控制。國慣性技術(shù)學(xué)2005年2月1慣導(dǎo)系統(tǒng)對慣性平臺熱設(shè)計的基本要求慣導(dǎo)系統(tǒng)對慣性平臺熱設(shè)計的基本要求包括:1)在整個環(huán)境溫度變化范圍內(nèi),慣性平臺必須保證陀螺儀安裝界面溫度恒定的要求。對本型平臺為±1℃,而陀螺儀在此條件下加熱及保溫電流必須大于某個要求值。2)在整個環(huán)境溫度變化范圍內(nèi),當(dāng)框架及臺體的姿態(tài)發(fā)生變化時,應(yīng)保證陀螺儀周圍的溫度梯度不大于某個值,對本型平臺為1℃。2慣性平臺的熱場分析本文將以現(xiàn)有某型慣性平臺為對象,就熱設(shè)計的第一個要求外冷卻進(jìn)行研究分析,并提出結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案內(nèi)框架2.1臺體發(fā)熱量的估算上散熱盤內(nèi)攪拌最小發(fā)熱量當(dāng)環(huán)境溫度超過一定值后,臺體溫控加熱電流為零,此時只有陀螺電機(jī)和傳感器等電子器件發(fā)熱。假設(shè)3個陀臺體一內(nèi)風(fēng)道螺儀的一切功率都相等,即單個陀螺儀馬達(dá)功率77W,傳感器臺體罩-外風(fēng)道功率05W,這樣3個陀螺儀總的發(fā)熱量為246W。臺體上其他外框架電子器件發(fā)熱:溫控板5個,每個05W;前放板3個,每個02下散熱W,共計3.1W。因此,臺體上的最小發(fā)熱量為27.7W。最大加熱功率陀螺儀加熱電流最大為2.5A,其功率為圖1四分之一實(shí)體簡化模型(24-1)×2.5=57.5W每個陀螺儀發(fā)熱量為657W,3個共發(fā)熱197W臺體的最大加熱功率為200.2W。保溫功率當(dāng)陀螺儀處于保溫狀態(tài)且保溫電流為0.25A時,單個陀螺的發(fā)熱量為77+0252×10+0.5=8825W,此時臺體的發(fā)熱量為3×8825+31=29575W。下面將在陀螺儀處于保溫狀態(tài),且加熱電流不變的情況下對平臺進(jìn)行熱場分析。22平臺的熱分析2.2.1有限元模型的建立由于平臺結(jié)構(gòu)復(fù)雜,建模是一個難點(diǎn),因此采用易于建模的-DEAS軟件進(jìn)行建模并且用其ESC模塊進(jìn)行分析。在模型的簡化中知,臺體為非對稱結(jié)構(gòu),其余支承結(jié)構(gòu)都可視為四分之一對稱結(jié)構(gòu)。其實(shí)體簡化模型如圖1所示。采用4節(jié)點(diǎn)的四面體單元劃分網(wǎng)格,最后得固體熱節(jié)點(diǎn)和熱單元的數(shù)目分別為60186和159832個,流體熱節(jié)點(diǎn)和熱單元分別為82918和397800個。2.2.2邊界條件的確定通過對單個陀螺儀進(jìn)行分析和實(shí)驗(yàn)可知,由輻射和對流所散出的熱量為40537W。考慮單陀螺實(shí)驗(yàn)時陀螺所處的環(huán)境與陀螺儀位于平臺臺體內(nèi)的環(huán)境條件的差異,在此取輻射和對流換熱量為單陀螺實(shí)驗(yàn)數(shù)值的60%,即3個陀螺儀總共有7.2967W的熱量通過輻射和對流直接傳到上下散熱盤和臺體罩上其余的熱量只能通過傳導(dǎo)傳到內(nèi)框架和上下散熱盤上。而要確定其分配量,首先必須估算臺體分別到內(nèi)框架和臺體罩的熱阻。通過計算,各個熱阻值列于表1中。表1臺體到內(nèi)框架及臺體罩的熱阻臺體到內(nèi)框架體罩關(guān)鍵熱阻中國煤化工上部R下部R2下部R4CNMH阻值(℃…W2.692955U64b50.6482第1期楊盛林等:慣性平臺熱場分析及熱設(shè)計的改進(jìn)根據(jù)某型慣性平臺的溫度實(shí)驗(yàn),取臺體的平均溫度7=585℃,內(nèi)框架的溫度t=45.6℃。因?yàn)镼內(nèi)RR2R+R2)=-r',所以通過內(nèi)框架傳導(dǎo)出去的熱量Q內(nèi)=(-^)R+R2)/RR2=915,因而通過上下散熱盤傳導(dǎo)出的熱量為13.1283W,而這兩部分的載荷在施加時都得分成上下兩部分。根據(jù)熱阻的比值關(guān)系可以推得熱量的分配關(guān)系,有:Q上_R_064829內(nèi)上R2295Q下R106465和{Q內(nèi)下R1269得Q上=65728F和)上=479Q+9下=131283Qn上+Qn下=Q=91567=6556841gr=436W圖2為臺體的散熱示意圖。溫控內(nèi)殼體對流和輻射內(nèi)風(fēng)道外風(fēng)道上的加熱功率將隨著環(huán)境和監(jiān)測點(diǎn)溫度的改變而改變。原設(shè)計為粗精兩組加熱片,其臺體罩中粗加熱片(交流加熱阻值309)用于系平臺外統(tǒng)啟動時縮短加溫時間,當(dāng)監(jiān)測點(diǎn)溫度升高Ra圍環(huán)到42℃時斷開;精加熱片(直流加熱阻值69)將在系統(tǒng)的運(yùn)行過程中始終開啟并且內(nèi)框架隨著環(huán)境溫度的改變而相應(yīng)調(diào)整所加電壓t-o-的占空比,使得加熱電流在0~8A變化。圖2臺體散熱示意圖考慮到平臺對環(huán)境溫度的適應(yīng)性,在此取環(huán)境溫度從-2043℃進(jìn)行分析。為簡化起見,僅取幾個有代表性的溫度點(diǎn)進(jìn)行計算。2.2.3分析結(jié)果在假定陀螺儀保溫電流不變的情況下,各個主要測溫點(diǎn)的溫度和精加熱片的加熱電流隨環(huán)境溫度的變化如表2所示表2隨環(huán)境溫度變化的各主要數(shù)據(jù)值(陀螺儀加熱保溫電流恒定)環(huán)境溫度/℃-1030404243精加熱片加熱電流/A90918:0656983575341320793監(jiān)測點(diǎn)溫度/℃44.644.644.644.644.6散熱盤溫度/L上盤5353.053.5下盤50250250150250050652臺體罩溫度/罩東49.849849849849750051949.649.649.649651.8從表2可以看出:當(dāng)環(huán)境溫度接近0℃時,加熱片的加熱電流已超出了電流的最大設(shè)計值8A;而當(dāng)環(huán)境溫度升高到將近42℃時,即使此時沒有加熱電流,監(jiān)測點(diǎn)的溫度也已超過了設(shè)計值(45±0.5℃),此時整個系統(tǒng)的溫控已失去控制這說明現(xiàn)有的這套溫控系統(tǒng)只能在241℃的環(huán)境溫度下使系統(tǒng)處在正常的熱狀態(tài);超過這個范圍,陀螺儀自身必須做出反應(yīng)。對于低溫,可以增加陀螺保溫電流來保證陀螺的工作溫度;而對于髙溫,因保溫電流已到零,從而造成陀螺超溫。下面列出當(dāng)陀螺儀的加熱保溫電流改變時平臺能夠適應(yīng)的環(huán)境溫度,如表3所示。從表3可以看出,只要陀螺儀柏稍增加其加熱保溫電中國煤化工度,該型平臺對低溫的適應(yīng)性不存置疑;但在高的環(huán)境溫度下,即使陀螺亻CNMH高溫適應(yīng)性也不能有多少改善。本文分析的目的也在于通過改變現(xiàn)有的結(jié)構(gòu),墻強(qiáng)具散熱性,提晶該型平臺的高溫適應(yīng)性,以確保陀螺儀在盡可能髙的環(huán)境溫度下不要岀現(xiàn)超溫現(xiàn)象中國慣性技術(shù)學(xué)報表3隨環(huán)境溫度變化的各主要數(shù)據(jù)值(陀螺儀加熱保溫電流改變環(huán)境溫度/℃10精加熱片加熱電流/A8069835753413207930000陀螺儀加熱保溫電流A0470354025105025025025000100監(jiān)測點(diǎn)溫度/℃44644644.644.644.644.9散熱盤溫度53.153.1552下盤50.250.1臺體罩溫度49849.8罩北649649649649649.549.64973散熱結(jié)構(gòu)的改進(jìn)散熱結(jié)構(gòu)的改進(jìn)主要從下面兩方面來進(jìn)行:改進(jìn)內(nèi)外風(fēng)道以及改進(jìn)各種散熱翅片3.1風(fēng)道的改進(jìn)通過分析得到的風(fēng)機(jī)曲線(圖3和圖4)可以看出,不35管是內(nèi)風(fēng)道的攪拌風(fēng)機(jī)(圖3),30還是外風(fēng)道的冷卻風(fēng)機(jī)(圖4)M(7045×10321649)都沒有達(dá)到理想的工作狀態(tài)M(7913×103,16407)其原因都是由于局部壓力損失E10050和沿程壓力損失過大,其中局s部壓力造成的損失最為嚴(yán)重---+---0005002000500100150020025基于這個原因,風(fēng)道按以下原Volume flow rate/ (m/s)Volume flow rate/(mis)則進(jìn)行了改進(jìn):風(fēng)道合理設(shè)計,圖3攪拌風(fēng)機(jī)FAN844N工作點(diǎn)4冷卻風(fēng)機(jī)FAN3414N工作點(diǎn)以避免局部換熱;風(fēng)道橫截面面積增大,以增加換熱面積;同時截面突變盡量小3.2翅片的改進(jìn)研究表明,管內(nèi)外翅片不僅能起到增加參與對流換熱總的有效面積、減小該側(cè)傳熱熱阻的作用,而且可使翅側(cè)的壁面溫度更加接近于同側(cè)流體的溫度;翅片的存在也較大地改變了流體的流動形式和阻力分布。翅片強(qiáng)化傳熱的機(jī)理是增加近壁處流體的紊流擴(kuò)散系數(shù),從而降低近壁處的熱阻使得換熱系數(shù)大大提高。但也并不是翅片數(shù)目越多散熱效果越好,僅對管內(nèi)流體流動而言就有區(qū)別。對于層流來說,適當(dāng)增加翅片數(shù)目和翅高都能提高其散熱效果:但對于紊流來說,其主流部分的熱擴(kuò)散系數(shù)本來已經(jīng)很高,一味的增加翅數(shù)和翅高不僅不能改善散熱性能,而且還會阻礙流體的充分流動。因此,為了加強(qiáng)紊流時的散熱,應(yīng)該采用能夠增加近壁處紊流度的壁面擾流裝置,而少用增強(qiáng)整個流道擾動度的管內(nèi)插入物。當(dāng)流體做層流流動時,橫向粗糙肋也有一個最佳的節(jié)距翅高比s/h。美國斯坦福大學(xué)對橫向粗糙肋的節(jié)距翅高比s/h=2~96的圓管做了空氣流動實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)表明,最佳的s/h=7~10。針對本文研究的慣性平臺,其內(nèi)外風(fēng)道中的流體基本都充分發(fā)展成了紊流運(yùn)動,那么翅片添加的原則應(yīng)該是:翅片高度不要太大,應(yīng)增強(qiáng)近壁紊流度;保持節(jié)距翅高比在7左右,而不應(yīng)該約為1。這樣,不僅加工制造方便,而且也能節(jié)省不少材料,最重要的是能夠有效地提高換熱器的換熱效果。中國煤化工4結(jié)論CNMH表4為內(nèi)風(fēng)道在風(fēng)量為00317m3s(單機(jī)風(fēng)量為005所示)處的局部壓力損失,表5為外風(fēng)道在風(fēng)量為00281m3/s(單機(jī)風(fēng)量為0007m3/s)時各突變截面處的局部壓力第1期楊盛林等:慣性平臺熱場分析及熱設(shè)計的改進(jìn)損失,而表6則為內(nèi)外風(fēng)道的沿程壓力損失。從表4和表5可以看出,內(nèi)風(fēng)道局部壓力損失最大處在中殼散熱器F處,而外風(fēng)道局部壓力損失最大處在中殼散熱器M和蓋罩出口S處。首先在這三處地方做以下的改動:F處:此處由原來的翅高6mm,節(jié)距8mm分別變?yōu)槌岣?mm,E節(jié)距10mm,并且直接做成整圈。改變后的局部壓力損失變?yōu)?.686Pa,內(nèi)攪拌風(fēng)機(jī)的風(fēng)量可以升高到000879m3/s(單機(jī)風(fēng)量)M處:此處由原來的翅高10mm、節(jié)距8mm分別變?yōu)槌岣?mm節(jié)距10mm,并且也直接做成整圈。改變后的局部壓力損失變?yōu)?.258PaS處:此處的蓋罩加高5mm,出風(fēng)小孔由原來的4排864-螞變?yōu)?排152-10。改變后的局部壓力損失變?yōu)?.8854Pa。M和S處的改變使得外冷卻風(fēng)機(jī)的風(fēng)量可以升高到001037m3s(單機(jī)風(fēng)量)。圖5內(nèi)外風(fēng)道截面突變示意圖表4內(nèi)風(fēng)道截面突變處壓力損失(風(fēng)量00317m/s)位置點(diǎn)EGHIJ計算面積m20014800148002390.01050.026501980015300153.0120.12壓力頭/Pa2550525505097805067307955142502.38662.38660.038800388阻力系數(shù)01450.990282.3224.5680.2110.81601770.05壓力失Pa25050369809631488184721650950503619474006903表5外風(fēng)道截面突變處壓力損失(風(fēng)量0.0281m/s)位置點(diǎn)計算面積/m20.0139002650.0171001390.02810.03170.025900946000611壓力頭/Pa2.421406621.600|242140.59250.4656069740052312.5319阻力系數(shù)0.8227902024610447.0360381壓力損失Pa121070.54761264290.59570618600940069740.367847147表6內(nèi)外風(fēng)道沿程壓力損失位置平均斷面平均周當(dāng)量半徑風(fēng)遮雷請數(shù)程阻壓力頭道等效沿程壓力/P長度/m損失/P00239799×101.3272F20026535381749×10-31.06041 2061003360.97810.61710.03170.6620.40.2823通過對改動后模型的分析發(fā)現(xiàn),在環(huán)境溫度為43℃時,檢測點(diǎn)的溫度由原來的469℃下降到458℃,這說明風(fēng)道的改進(jìn)能夠有效地提高該型平臺的環(huán)境適應(yīng)性。如果對整個風(fēng)道進(jìn)行系統(tǒng)的改進(jìn),相信將會有更滿意的結(jié)果參考文獻(xiàn):顧維,種家銳,馬重芳,等,強(qiáng)化傳北京:科學(xué)出L中國煤化工[2]王勖成,邵敏.有限單元法基理和數(shù)值[3]陳禮,吳勇華.流體力學(xué)與熱工基礎(chǔ)[M北京:清華大學(xué)出版CNMHG[4]白永杰,劉德鈞.某型液浮陀螺浮子結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力分析[中國慣性技術(shù)學(xué)報,19997(4):5457