導彈天線(xiàn)罩靜熱聯(lián)合試驗及其熱強度分析

強度與環(huán)境,2001(3)Structure &. Environment Engineering, 2001(3)導彈天線(xiàn)罩靜熱聯(lián)合試驗及其熱強度分析王端志高萬(wàn)鏞(北京強度環(huán)境研究所,北京,100076)摘要:本文介紹了導彈天線(xiàn)罩地面模擬試驗的技術(shù)與方法,并采用有限元素法求解某型號天線(xiàn)罩結構在熱流與機械載荷的作用下,結構內部隨時(shí)間變化的溫度場(chǎng)及應力場(chǎng)。計算時(shí)主要是依據模擬試驗中所施加的邊界條件和載荷條件進(jìn)行的關(guān)鍵詞:天線(xiàn)罩;熱試驗;熱強度;有限元法中圖分類(lèi)號:V416.4文獻標識碼:A文章編號:1006-3919(2001)03-0001-091前隨著(zhù)型號的不斷發(fā)展,導彈以高馬赫數在大氣層中飛行時(shí),氣動(dòng)加熱問(wèn)題日趨嚴重,結構熱問(wèn)題越來(lái)越受到人們的重視,熱環(huán)境”已作為結構設計的外載荷條件列入了設計規范結構熱試驗作為研究結構熱問(wèn)題的有效方法,目前已成為彈(箭)結構設計、強度及可靠性分析、產(chǎn)品性能檢驗和鑒定的重要手段之一。但是由于飛行器的飛行環(huán)境十分復雜,單純地靠地面試驗是不可能全真模擬這種環(huán)境條件,只能在簡(jiǎn)化的基礎上近似模擬,加上試驗本身的誤差,不可避免地要借助多種手段。為配合熱結構試驗的研究,印證試驗的合理性以及彌補試驗的不足,從而促進(jìn)結構熱試驗技術(shù)向更高的水平發(fā)展,對試驗件進(jìn)行理論分析與計算工作是至關(guān)重要的同時(shí),對試驗中的問(wèn)題進(jìn)行準確地分析和計算也是開(kāi)發(fā)計算機仿真技術(shù)的必要前提,仿真技術(shù)與結構熱試驗技術(shù)的密切結合,必將成為解決結構熱問(wèn)題很有前途的發(fā)展方向天線(xiàn)罩結構是導彈型號設計、研制階段的重要部件,由于飛行時(shí)天線(xiàn)罩受氣動(dòng)加熱較為嚴重,機動(dòng)飛行時(shí)要承受復雜的氣動(dòng)載荷以及為了透過(guò)電磁波采用非金屬材料而承載能力較差等原因,其強度、剛度是否合格直接影響到型號的設計定型。目前研制單位一般要進(jìn)行熱強度試驗來(lái)考核其是否合格。2靜熱聯(lián)合試驗中國煤化工結構熱試驗是以設計部根據彈道和氣yHCNMHG件為依據,進(jìn)行試驗設收稿日期:2000-12-04作者簡(jiǎn)介:王端志,男,1972年6月生,漢族,江蘇連云港人,碩土,工程師(100076)北京強度環(huán)境研究所;高萬(wàn)鏞,男,1942年3月生,漢族,北京人,研究員(100076)北京強度環(huán)境研究所計。天線(xiàn)罩的靜熱聯(lián)合試驗包括高溫熱沖擊試驗、靜力載荷試驗、靜熱聯(lián)合試驗。試驗安裝示意圖如圖1所示。根據設計部給定的數據和要求,采用溫度控制進(jìn)行加熱。由于天線(xiàn)罩結構各個(gè)部位的氣動(dòng)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)現一個(gè)非均勻分布的熱場(chǎng),最有效的方法是把整個(gè)加熱器進(jìn)行離散化控制,即將整個(gè)加熱器劃分為多個(gè)溫區。理論上講,溫區劃分得愈多,加熱模擬的效果愈真實(shí),在可能的條件下應當遵循“區小域多”的原則,但與此同時(shí)增加了設計和試驗的復雜程度,在當前條件下難于實(shí)現。因此在天線(xiàn)罩靜熱聯(lián)合試驗中主要根據試驗大綱的要求優(yōu)化設計合理布局,將加熱器劃分六個(gè)控溫區,并且兩兩對應一致?？販攸c(diǎn)分別位于天線(xiàn)罩上、中、下三段的典型點(diǎn)上,三點(diǎn)控溫數據如表所示。由于外表面需要進(jìn)行加熱,所以機械載荷的施加采用內加載,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(xiàn)罩結構近似于錐體(具體結構見(jiàn)圖1),主體是陶瓷段,底部通過(guò)膠層與殷鋼環(huán)連接。用豎直的安裝方式將天線(xiàn)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(gè)錐狀半圓柱合并而成,共分上、中、下三排燈,分別對應六個(gè)溫區。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(jiàn)。熱流控一般由設計部提供熱壁熱流數據,試驗前要作損失項與位置系數旳修正,中間環(huán)節較多,相對麻煩,但比較成熟。在此試驗中,由于只給定邊界溫度曲線(xiàn),所以采用溫度控制方式,并保證加熱與機械載荷在時(shí)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(xiàn)性瞬態(tài)熱傳導方程是div (kgradT)+q= pCp在直角坐標系中表示為”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(wàn)為數瓣射換熱熱流,為對流換熱熱流,q為給定熱流。一般來(lái)說(shuō)、9的表達式分別為ge =h(T-T式中T。為周?chē)h(huán)境溫度,h為對流換熱系數初始條件為T(mén)(x,y,z,0)=Tn,t=0,(x,y,)∈9利用有限元素法對導熱微分方程的邊值問(wèn)題進(jìn)行求解般有兩種解法,一種對其直接求解,選取試探函數利用加權余數法。另一種是利用微分方程的邊值問(wèn)題與泛函求極值問(wèn)題的等價(jià)性原理,即變分有限元法3與方程(2)及邊界條件(3)、(4)對應的泛函可寫(xiě)成JqT'ds +0.5h(T"2-T.T)ds將求解域離散成ne個(gè)單元,每個(gè)單元有r個(gè)節點(diǎn),任意一個(gè)單元或子域記作De,即Dde,則每個(gè)單元上的泛函為L(cháng)k,(2)2+kDy)2+k(決)2+2(q+Cp)Td+Tds+0.5h(Te-ToT')每個(gè)單元內,溫度函數可表示為(x,y,2,1)=∑NTi=[N][又由于I=∑1·m、=、=∑=0可推導出有限元列式K][們門(mén)]+[N]?7式中[K]—整體溫度剛度矩陣N]——整體變溫矩陣節點(diǎn)溫度矩陣求解非定常溫度場(chǎng)時(shí),還要考慮時(shí)間坐標,一般采用向后差分法。對于任意時(shí)刻t有K工,+[N(),=[P1在求解瞬態(tài)溫度場(chǎng)時(shí),一般已知的是初中國煤化工,門(mén)),項用差分法展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(chǎng),由此求出t時(shí)刻的溫度場(chǎng)[],然后再用t+M代替上式中的t,就可求出t+Δt時(shí)刻的溫度場(chǎng)。照此遞推,可以求出時(shí)間步長(cháng)為△t的各個(gè)時(shí)刻的溫度場(chǎng)計算岀溫度場(chǎng)分布后,可以計算罩體的應力場(chǎng)。根據最小位能原理可推導出[K][δPn+[P7]其中[PrJ=[T(r,y, 2,DB][]du[K]-[B][D][B]du幾何矩陣,[D]——彈性矩陣又根據應力、應變和位移之間的關(guān)系[e]=[B][],[a=D]([e]-[Ta])(10)即可求出應力[σ。4某型號天線(xiàn)罩聯(lián)合試驗的計算結果與試驗分析4.1天線(xiàn)罩有限元模型天線(xiàn)罩結構為陶瓷材料的旋轉殼體,根部由膠層與連接環(huán)粘結在建立模型時(shí)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(shí),考慮到模型結構長(cháng)徑比很大及局部復雜性,同時(shí)為了使連接部位單元節點(diǎn)合并進(jìn)行的連續協(xié)調,因此根據模型特點(diǎn)對其分區處理,并在局部復雜處增大單元劃分密度。模型圖見(jiàn)圖3jA中國煤化工CNMHG圖3天線(xiàn)罩有限元俁坐圖4.2靜載作用下罩體應力場(chǎng)計算在計算應力時(shí),殷鋼環(huán)底部一段為固定約束,在罩體內壁作用點(diǎn)周?chē)囊恍∶娣e上施加面力,力的大小是根據設計部所給的氣動(dòng)載荷數據換算而來(lái)。試驗前首先對天線(xiàn)罩在此載荷作用下、常溫條件時(shí)的應力場(chǎng)進(jìn)行了計算,設計載荷下應力分布如圖4,計算的目的除了對罩體進(jìn)行強度分析外,也為加載頭的合理設計提供了理論依據,保證試驗的順利進(jìn)行。HOM-LAYoTED DNM圖4靜力條件下陶瓷段的應力分布圖4.3熱沖擊試驗條件下罩體的溫度場(chǎng)與應力場(chǎng)試驗時(shí)將試件分為六個(gè)溫區,且兩兩對應。即已知第一類(lèi)邊界條件(3)T1、T2、T3。計算時(shí),考慮到罩體內表面與空氣接觸,由于罩內空氣導熱系數和勢容較小,所以計算中忽略天線(xiàn)罩內空氣所吸收的熱量,按絕熱邊界條件處理,這樣簡(jiǎn)化對計算結果的影響很小,較符合實(shí)際情況圖5~圖11分別給出了天線(xiàn)罩結構在40秒、1410秒時(shí)溫度場(chǎng)、應力場(chǎng)分布圖以及罩體在30秒前各層及內外表面各個(gè)溫區隨時(shí)間變化的溫度曲線(xiàn)圖12為靜熱聯(lián)合作用下的應力分布。其中圖10、圖11中黑線(xiàn)(B、D)為外表面施加溫度隨時(shí)間變化曲線(xiàn),紅線(xiàn)(C、E)為試驗時(shí)傳感器測量值,綠線(xiàn)(H、Ⅰ)為計算值最大誤差小于8%,表明有限元法求解結構溫度場(chǎng)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(xiàn)罩結構的溫度場(chǎng)與應力場(chǎng)靜熱聯(lián)合實(shí)際上考慮到將熱流與杋械載荷在時(shí)域和空間域上合理疊加。此時(shí)罩體由于受到氣動(dòng)力作用而有微小變形,對溫度場(chǎng)中國煤化工二者聯(lián)合作用,對應力場(chǎng)則會(huì )產(chǎn)生較大影響圖12為1410秒時(shí)靜CNMHG由計算可以看出當結構既承受熱載又承受機械載荷時(shí),最大應力值明顯增大(靜載時(shí)mx=9.2MPa,聯(lián)合作用下om=13.2MPa)。5圖540秒時(shí)溫度引起的熱應力云圖t1:teec.-(。N~爪YB圖61410秒時(shí)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(shí)溫度引起的熱應力云圖100050010015002002500300圖8300秒前第一溫度區各層節點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)75.06so0101s5020200圖9300秒前第二溫度區各層節點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)Y中國煤化工CNMHG圖10第一溫度區計算值與試驗測量值對比曲線(xiàn)圖11第二溫度區計算值與試驗測量值對比曲線(xiàn)ALQ Secam Sr0°N- LAYEDLED TOMD圖121410秒時(shí)靜熱聯(lián)合作用下應力分布云圖5結論本文對天線(xiàn)罩結構承受高溫載荷的溫度場(chǎng)、熱應力場(chǎng)及靜熱聯(lián)合作用旳應力場(chǎng)分別進(jìn)行了分析計算,取得了良好的計算結果。溫度場(chǎng)的計算值與試驗測量值吻合的很好。由于本試驗是檢定性試驗,未做應變測量,無(wú)法將計算應力與實(shí)測結果進(jìn)行比較。并且目前非金屬高溫應變測量難度大、精度差,是急需解決的技術(shù)問(wèn)題。作者認為,由于有限元法計算的合理性及準確性,只要天線(xiàn)罩結構的材料力學(xué)參中國煤化工很大的可信度,對試驗的實(shí)施能夠起到很好的預示作用tHaCNMHG參考文獻1]張鈺,雋據結構熱試驗技術(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,低空超音速導彈天線(xiàn)罩靜熱聯(lián)合強度研究[R]北京機電工程研究所,1990-103]孫菊芳主編,有限單元法及其應用[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值方法[M].北京:清華大學(xué)出版社,1997符號表T溫度(K)k——導熱系數(W/(m·K))0密度(kg/m3)a膨脹系數(1/K)比熱(J/(kg·K))h—換熱系數(W/(m2·K∈—黑度系數(應變)σ——斯蒂芬常數(應力)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