一種多層防熱結(jié)構(gòu)快速優(yōu)化方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種多層防熱結(jié)構(gòu)快速優(yōu)化方法，可用于防熱結(jié)構(gòu)快速分析及設計，屬于結(jié)構(gòu)熱分析技術(shù)領域。
【背景技術(shù)】
[0002]多層防熱結(jié)構(gòu)是國內(nèi)外運載火箭普遍采用的形式。目前多層防熱結(jié)構(gòu)設計有以下兩種方法:(1)根據(jù)以前的防熱結(jié)構(gòu)考核試驗，推出近似的防熱結(jié)構(gòu)方案，并進行試驗考核；(2)采用有限元分析軟件，建立傳熱分析模型，計算設定防熱結(jié)構(gòu)下溫度分布，然后根據(jù)設計要求，逐步調(diào)整防熱結(jié)構(gòu)參數(shù)，直至滿足設計要求。第一種方法無法在復雜熱流條件下應用，而第二種方法需要試湊結(jié)構(gòu)參數(shù)，工作量大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是為了提出一種多層防熱結(jié)構(gòu)快速優(yōu)化方法，該方法將防熱結(jié)構(gòu)的設計過程標準化，提供了快速計算防熱涂層厚度的方法，提高工作效率和分析質(zhì)量。
[0004]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的。
[0005]本發(fā)明的一種多層防熱結(jié)構(gòu)快速優(yōu)化方法，步驟為:
[0006]I)對防熱結(jié)構(gòu)建立一維傳熱分析有限元模型，有限元模型中所使用的參數(shù)為殼體的材料屬性、涂層的材料屬性、殼體的幾何尺寸和涂層的幾何尺寸；
[0007]所述的殼體的材料屬性是指殼體材料的密度、比熱、熱導率；
[0008]所述的涂層的材料屬性是指涂層材料的密度、比熱、熱導率；
[0009]所述的殼體的幾何尺寸是指殼體的厚度；
[0010]所述的涂層的幾何尺寸是指涂層的厚度；
[0011]2)對步驟I)中得到的模型施加初始條件，初始條件包括殼體的初始溫度和涂層的初始溫度；
[0012]3)對步驟I)中得到的模型施加邊界條件，邊界條件包括熱流載荷、輻射條件。
[0013]所述的熱流載荷是指對流換熱載荷，熱流載荷參數(shù)為隨時間變化的對流換熱系數(shù)和隨時間變化的壁面環(huán)境溫度；
[0014]所述的輻射條件是指涂層外壁對空間的輻射散熱條件，輻射條件參數(shù)為涂層外壁的輻射系數(shù)和空間環(huán)境溫度；
[0015]4)采用有限元工具對步驟I)得到的有限元模型進行單元劃分，得到單元模型，得到的單元模型為傳熱分析模型，采用線性熱傳導單元；
[0016]進行單元劃分時要求涂層不少于4個單元，以達到足以描述溫度場的要求；
[0017]5)采用有限元工具對傳熱分析模型進行計算，并提取殼體溫度；
[0018]6)將步驟I)、步驟2)和步驟3)中使用到的參數(shù)以及步驟5)中提取的殼體溫度參數(shù)輸出到文檔，并保存為參數(shù)文件I ;
[0019]7)檢查參數(shù)文件I，是否滿足防熱設計要求:
[0020]如果殼體溫度與設計要求溫度相差小于5% (I殼體溫度-設計溫度I/設計溫度)，則結(jié)束優(yōu)化分析；
[0021 ] 如果殼體溫度高于設計要求溫度，且相差大于5 % ((殼體溫度-設計溫度)/設計溫度)，則將參數(shù)文件I中涂層厚度增大I倍，并執(zhí)行步驟I)到步驟5)，然后將步驟I)、步驟2)和步驟3)中使用到的參數(shù)以及步驟5)中提取的殼體溫度參數(shù)輸出到文檔，并保存為參數(shù)文件2 ；
[0022]如果殼體溫度低于設計要求溫度，且相差大于5% ((設計溫度-殼體溫度)/設計溫度)，則將參數(shù)文件I中涂層厚度減小到一半，并執(zhí)行步驟I)到步驟5)，然后將步驟I)、步驟2)和步驟3)中使用到的參數(shù)以及步驟5)中提取的殼體溫度參數(shù)輸出到文檔，并保存為參數(shù)文件2 ；
[0023]8)檢查參數(shù)文件2，是否滿足防熱設計要求；
[0024]如果殼體溫度與設計要求溫度相差小于5%，則結(jié)束優(yōu)化分析；
[0025]如果殼體溫度與設計要求溫度相差大于5%，則根據(jù)參數(shù)文件I中的涂層厚度和殼體溫度、參數(shù)文件2中的涂層厚度和殼體溫度、設計要求溫度，進行線性插值獲得新涂層厚度；將參數(shù)文件2的內(nèi)容賦予參數(shù)文件1，并將新涂層厚度保存到參數(shù)文件2，并執(zhí)行步驟I)到步驟5)，并將新殼體溫度保存到參數(shù)文件2 ；
[0026]9)重復步驟8)，直到優(yōu)化分析完成。
[0027]有益效果
[0028]本發(fā)明的方法能快速完成多層防熱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計，提高了工作效率。
【附圖說明】
[0029]圖1為實施例中線性插值示意圖。
【具體實施方式】
[0030]下面結(jié)合實施例對本發(fā)明做進一步說明。
[0031]實施例1
[0032]一種多層防熱結(jié)構(gòu)快速優(yōu)化方法，步驟為:
[0033]I)建立多層結(jié)構(gòu)的有限元模型，包括建立幾何模型、賦屬性。防熱結(jié)構(gòu)為2層，第一層為鋁合金殼體，厚度為3mm ;第二層為復合材料涂層，厚度為Imm ;鋁合金的密度為2800kg/m3，比熱為1000J/ (kg.°C )，熱導率為200W/ (m.K);復合材料的密度為1600kg/m3，比熱為1260J/ (kg.°C )，熱導率為0.4ff/ (m.K)，復合材料為高硅氧復合材料；
[0034]2)對步驟I)中得到的模型施加初始條件，殼體和涂層的初始溫度均為25°C ；
[0035]3)對步驟I)中得到的模型施加邊界條件，涂層外壁輻射系數(shù)為0.8、環(huán)境溫度為(TC ;涂層外壁對流換熱邊界條件為，對流換熱系數(shù)為0.1kJ/(m2.V )、涂層外壁環(huán)境溫度為2000°C，持續(xù)時間為1s ；
[0036]4)采用有限元軟件Abaqus對步驟I)得到的有限元模型進行單元劃分，涂層劃分為4個單元，殼體劃分為10個單元，得到的單元模型有14個單元，單元模型為傳熱分析模型，采用線性熱傳導單元；
[0037]5)采用有限元軟件Abaqus進行傳熱分析，殼體最高溫度為182°C。
[0038]6)將步驟I)中的銷合金殼體厚度3mm、復合材料涂層厚度1mm、銷合金的密度2800kg/m3、鋁合金比熱1000J/(kg.°C )、鋁合金熱導率200W/(m.K)、復合材料的密度1600kg/m3、復合材料比熱1260J/(kg.V )、復合材料熱導率0.4ff/(m.K)、殼體的初始溫度25°C、涂層的初始溫度25°C、涂層外壁輻射系數(shù)0.8、、涂層外壁輻射環(huán)境溫度0°C、涂層外壁對流換熱系數(shù)0.1kJ/(m2.V )、涂層外壁環(huán)境溫度2000°C、持續(xù)時間為1s以及步驟5)中提取的殼體最高溫度182°C輸出到文檔，并保存為參數(shù)文件I ;
[0039]7)防熱設計要求殼體溫度低于100°C，I殼體溫度-設計溫度I/設計溫度=82%,不滿足防熱設計要求；
[0040]則將涂層厚度增大I倍，即涂層厚度為2mm，并執(zhí)行步驟I)到步驟5);將步驟I)、步驟2)、步驟3)中的參數(shù)以及步驟5)中殼體的最高溫度參數(shù)輸出到文檔，并保存為參數(shù)文件2 ；
[0041]8)殼體最高溫度為106°C，I殼體溫度-設計溫度I /設計溫度=6%,不滿足防熱設計要求；
[0042]根據(jù)前兩次計算結(jié)果，以涂層厚度為橫坐標、以殼體最高溫度為縱坐標，線性插值，如圖1所示，當殼體最高溫度為100°c時，涂層厚度為2.08mm,將參數(shù)文件2的內(nèi)容賦予參數(shù)文件1，并將新涂層厚度2.08mm保存到參數(shù)文件2，并執(zhí)行步驟I)到步驟5)，最后得到殼體最高溫度為101.8°C，并保存到參數(shù)文件2 ；
[0043]9) I殼體溫度-設計溫度I/設計溫度=1.8%，誤差小于5%，滿足設計要求，優(yōu)化設計完成。
【主權(quán)項】
1.一種多層防熱結(jié)構(gòu)快速優(yōu)化方法，其特征在于步驟為: 1)對防熱結(jié)構(gòu)建立一維傳熱分析有限元模型，有限元模型中所使用的參數(shù)為殼體的材料屬性、涂層的材料屬性、殼體的幾何尺寸和涂層的幾何尺寸； 所述的殼體的材料屬性是指殼體材料的密度、比熱、熱導率； 所述的涂層的材料屬性是指涂層材料的密度、比熱、熱導率； 所述的殼體的幾何尺寸是指殼體的厚度； 所述的涂層的幾何尺寸是指涂層的厚度； 2)對步驟I)中得到的模型施加初始條件，初始條件包括殼體的初始溫度和涂層的初始溫度； 3)對步驟I)中得到的模型施加邊界條件，邊界條件包括熱流載荷、輻射條件； 所述的熱流載荷是指對流換熱載荷，熱流載荷參數(shù)為隨時間變化的對流換熱系數(shù)和隨時間變化的壁面環(huán)境溫度； 所述的輻射條件是指涂層外壁對空間的輻射散熱條件，輻射條件參數(shù)為涂層外壁的輻射系數(shù)和空間環(huán)境溫度； 4)采用有限元工具對步驟I)得到的有限元模型進行單元劃分，得到單元模型，得到的單元模型為傳熱分析模型，采用線性熱傳導單元； 進行單元劃分時要求涂層不少于4個單元，以達到足以描述溫度場的要求； 5)采用有限元工具對傳熱分析模型進行計算，并提取殼體溫度； 6)將步驟I)、步驟2)和步驟3)中使用到的參數(shù)以及步驟5)中提取的殼體溫度參數(shù)輸出到文檔，并保存為參數(shù)文件I ; 7)檢查參數(shù)文件I，是否滿足防熱設計要求: 如果殼體溫度與設計要求溫度相差小于5%，則結(jié)束優(yōu)化分析； 如果殼體溫度高于設計要求溫度，且相差大于5%，則將參數(shù)文件I中涂層厚度增大I倍，并執(zhí)行步驟I)到步驟5)，然后將步驟I)、步驟2)和步驟3)中使用到的參數(shù)以及步驟5)中提取的殼體溫度參數(shù)輸出到文檔，并保存為參數(shù)文件2 ; 如果殼體溫度低于設計要求溫度，且相差大于5%，則將參數(shù)文件I中涂層厚度減小到一半，并執(zhí)行步驟I)到步驟5)，然后將步驟I)、步驟2)和步驟3)中使用到的參數(shù)以及步驟5)中提取的殼體溫度參數(shù)輸出到文檔，并保存為參數(shù)文件2 ; 8)檢查參數(shù)文件2，是否滿足防熱設計要求； 如果殼體溫度與設計要求溫度相差小于5%，則結(jié)束優(yōu)化分析； 如果殼體溫度與設計要求溫度相差大于5%，則根據(jù)參數(shù)文件I中的涂層厚度和殼體溫度、參數(shù)文件2中的涂層厚度和殼體溫度、設計要求溫度，進行線性插值獲得新涂層厚度；將參數(shù)文件2的內(nèi)容賦予參數(shù)文件1，并將新涂層厚度保存到參數(shù)文件2，并執(zhí)行步驟I)到步驟5)，并將新殼體溫度保存到參數(shù)文件2 ； 9)重復步驟8)，直到優(yōu)化分析完成。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種多層防熱結(jié)構(gòu)快速優(yōu)化方法，可用于防熱結(jié)構(gòu)快速分析及設計，屬于結(jié)構(gòu)熱分析技術(shù)領域。1)對防熱結(jié)構(gòu)建立一維傳熱分析有限元模型；2)對步驟1)中得到的模型施加初始條件；3)對步驟1)中得到的模型施加邊界條件；4)采用有限元工具對步驟1)得到的有限元模型進行單元劃分，得到單元模型；5)采用有限元工具對傳熱分析模型進行計算，并提取殼體溫度；6)將步驟1)、步驟2)和步驟3)中使用到的參數(shù)以及步驟5)中提取的殼體溫度參數(shù)輸出到文檔，并保存為參數(shù)文件1；7)檢查參數(shù)文件1，是否滿足防熱設計要求。本發(fā)明的方法能快速完成多層防熱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計，提高了工作效率。
【IPC分類】G06F17-50
【公開號】CN104732010
【申請?zhí)枴緾N201510065346
【發(fā)明人】章凌, 林川, 王立朋, 佟文敏, 黎漢華, 季寶鋒, 耿文濤, 李林生, 吳浩
【申請人】北京宇航系統(tǒng)工程研究所, 中國運載火箭技術(shù)研究院
【公開日】2015年6月24日
【申請日】2015年2月6日