一種基于ansys-apdl語(yǔ)言開發(fā)的復(fù)雜熱環(huán)境下球形光學(xué)頭罩瞬態(tài)熱-結(jié)構(gòu)耦合分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)研究領(lǐng)域，設(shè)及一種基于ANSYS-AP化語(yǔ)言開發(fā)的復(fù)雜 熱環(huán)境下球形光學(xué)頭罩瞬態(tài)熱-結(jié)構(gòu)禪合分析方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 氣動(dòng)熱環(huán)境下球形光學(xué)頭罩由于熱傳導(dǎo)和熱應(yīng)力等效應(yīng)導(dǎo)致頭罩材料的外形和 光學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，進(jìn)而影響來(lái)自目標(biāo)的紅外福射光線傳輸，使得高速飛行器成像探測(cè)系 統(tǒng)對(duì)目標(biāo)圖像產(chǎn)生像模糊、抖動(dòng)、偏移和能量衰減，最終將嚴(yán)重影響高速飛行器的探測(cè)性 能。飛行器在大氣層中高速飛行時(shí)其頭罩與來(lái)流之間發(fā)生劇烈的相互作用，頭罩溫度升高， 使光學(xué)成像探測(cè)系統(tǒng)處于復(fù)雜的氣動(dòng)熱環(huán)境中，該種效應(yīng)稱為飛行器光學(xué)頭罩氣動(dòng)熱效 應(yīng)。球形頭罩氣動(dòng)熱效應(yīng)中離不開熱量的傳遞，因此在換熱、力學(xué)邊界條件已知的情況下， 利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)頭罩進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)禪合計(jì)算，可得到氣動(dòng)熱環(huán)境下頭罩的溫 度場(chǎng)、熱應(yīng)力場(chǎng)、熱應(yīng)變場(chǎng)和熱形變場(chǎng)等結(jié)果數(shù)據(jù)文件。后續(xù)我們可W根據(jù)已得到的結(jié)果數(shù) 據(jù)利用熱光效應(yīng)和彈光效應(yīng)原理，計(jì)算頭罩在氣動(dòng)熱環(huán)境下的折射率場(chǎng)，為氣動(dòng)熱環(huán)境下 高速飛行器外流場(chǎng)和頭罩光傳輸仿真分析和頭罩熱福射計(jì)算提供數(shù)據(jù)支持。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是提供一種基于ANSYS-AP化語(yǔ)言開發(fā)的復(fù)雜熱環(huán)境下球形光學(xué)頭 罩瞬態(tài)熱-結(jié)構(gòu)禪合分析方法。在本發(fā)明中，用ANSYS-AP化語(yǔ)言開發(fā)了一種外表面熱流密 度W及氣動(dòng)壓力隨時(shí)間變化的瞬態(tài)仿真計(jì)算法，通過(guò)開發(fā)的AP化命令流可W-次性計(jì)算 得到球形光學(xué)頭罩在氣動(dòng)熱環(huán)境下的熱響應(yīng)結(jié)果（包括光學(xué)頭罩在氣動(dòng)熱環(huán)境下的溫度 場(chǎng)、熱應(yīng)力場(chǎng)、熱應(yīng)變場(chǎng)和熱形變場(chǎng)），避免了之前同一類問(wèn)題多次使用用戶界面進(jìn)行加載 費(fèi)事、費(fèi)力、易錯(cuò)等缺點(diǎn)，而且通過(guò)宏的使用成功實(shí)現(xiàn)了頭罩外表面熱流密度和氣動(dòng)壓力隨 時(shí)間變化情況下頭罩氣動(dòng)熱響應(yīng)的動(dòng)態(tài)計(jì)算。
[0004] 本發(fā)明的目的是通過(guò)W下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0005] -種基于ANSYS-AP化語(yǔ)言開發(fā)的復(fù)雜熱環(huán)境下球形光學(xué)頭罩瞬態(tài)熱-結(jié)構(gòu)禪合 分析方法，包括W下步驟：
[000引一、基于AP化語(yǔ)言的任意球形光學(xué)頭罩有限元模型的建立
[0007] 在對(duì)復(fù)雜熱環(huán)境下球形光學(xué)頭罩進(jìn)行瞬態(tài)熱-結(jié)構(gòu)禪合分析時(shí)，首先應(yīng)依據(jù)分析 的類型選定對(duì)應(yīng)的有限元模型，在AP化中依靠命令ET進(jìn)行有限元模型的定義。由于本發(fā) 明要對(duì)復(fù)雜熱環(huán)境下球形頭罩進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)分析，所W在所編寫的AP化語(yǔ)言中所采用的類 型為planelS與solids。在選定有限元類型并進(jìn)行定義后，進(jìn)行仿真模型的建立過(guò)程。依 據(jù)球形頭罩的內(nèi)外半徑r'與r W及頭罩頂端到底端的距離d =個(gè)幾何參數(shù)，進(jìn)行球形頭罩 計(jì)算模型的建立。在使用AP化語(yǔ)言建立部分圓環(huán)模型時(shí)，需要將頭罩頂端到底端的距離d 轉(zhuǎn)化為部分圓環(huán)所對(duì)的圓屯、角e，利用AP化中命令中PCIRC命令生成對(duì)應(yīng)角度的計(jì)算模 型。在本發(fā)明中，所建立的部分圓環(huán)結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖示中的圓屯、角為83. 475度。
[0008] 接下來(lái)通過(guò)編寫AP化命令對(duì)上述建立的部分圓環(huán)的四條邊界線進(jìn)行網(wǎng)格大小W 及網(wǎng)格劃分類型的控制，可W按照要求精度的高低自由限制劃分網(wǎng)格的大小，網(wǎng)格劃分類 型采用二維平鋪式。然后采用AP化中的AME甜命令劃分網(wǎng)格，在本發(fā)明中采用上述方法劃 分網(wǎng)格后結(jié)果如圖2所示。
[0009] 在得到如圖2所示的有限元模型后，我們通過(guò)AP化中VR0TAT命令控制該模型繞 坐標(biāo)軸或是過(guò)兩個(gè)特定關(guān)鍵點(diǎn)的直線旋轉(zhuǎn)一定的度數(shù)，進(jìn)而生成最終的有限元分析模型。 具體旋轉(zhuǎn)的度數(shù)應(yīng)按照實(shí)際模型來(lái)確定，在本發(fā)明中圖3-4中所示的球形頭罩內(nèi)外側(cè)有限 元模型是由圖2所示的部分平面圓環(huán)旋轉(zhuǎn)360度形成的。如果僅分析其中的一部分，可W 選擇旋轉(zhuǎn)0°到360°的任意角度來(lái)建立模型。
[0010] 二、基于AP化語(yǔ)言的球形光學(xué)頭罩計(jì)算時(shí)間參數(shù)W及材料物理參數(shù)的確定
[0011] 在使用APDL進(jìn)行計(jì)算時(shí)，需要對(duì)計(jì)算時(shí)間總長(zhǎng)、計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)、估計(jì)烙化時(shí)間、飛 行時(shí)間間隔W及子載荷的步數(shù)進(jìn)行合理的設(shè)定。由于在后續(xù)研究中要利用本發(fā)明所得的數(shù) 據(jù)結(jié)果結(jié)合熱光效應(yīng)與彈光效應(yīng)計(jì)算氣動(dòng)熱環(huán)境下高速飛行器光學(xué)頭罩的折射率，所W在 對(duì)材料的物理特性輸入時(shí)，需要考慮材料的非線性特性。
[0012] 在本發(fā)明中，使用AP化載入的頭罩光學(xué)晶體材料的物理特性參數(shù)包括；該材料 的彈光系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、彈性模量、熱膨脹系數(shù)、屈服強(qiáng)度、烙點(diǎn)、切變彈性模量、0光折射率、 e光折射率、0光熱光系數(shù)、e光熱光系數(shù)、比熱容、密度和泊松比。在球形光學(xué)頭罩材料確定 的情況下，W上數(shù)據(jù)均可查閱相關(guān)資料得到。在得到W上所提的材料物理參數(shù)后，使用AP化 中的MP，TB，TBTEMP，TBDATA等命令對(duì)相應(yīng)的物理量進(jìn)行定義與輸入。
[0013] S、基于AP化語(yǔ)言的隨時(shí)間變化的熱流密度W及氣動(dòng)壓力的換熱W及力邊界條 件的加載
[0014] 在對(duì)球形光學(xué)頭罩進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)禪合計(jì)算時(shí)需要輸入換熱與力邊界條件。本發(fā)明 在利用ANSYS對(duì)球形光學(xué)頭罩進(jìn)行熱分析時(shí)，所加載的換熱邊界條件包括；頭罩外側(cè)氣流 溫度、頭罩內(nèi)側(cè)氣流溫度、頭罩內(nèi)側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)、頭罩外表面氣動(dòng)熱流密度分布數(shù)據(jù)文件 (flux_out. dat)、頭罩初始溫度和頭罩熱應(yīng)力計(jì)算參考溫度。其中頭罩內(nèi)側(cè)溫度分布假設(shè) 為均勻分布，取為300K，頭罩內(nèi)側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)可依據(jù)頭罩內(nèi)外溫度差W及頭罩材料查閱 資料得到，本發(fā)明中球形光學(xué)頭罩內(nèi)側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)為10。
[0015] flux_out. dat文件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖5所示；文件中第1行，第14行，… 第l+13*(i-l)行分別表示第i個(gè)時(shí)間間隔表示的計(jì)算時(shí)間，文件第2-13行，第 化13Q-1)-化13*i行分別表示第i個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)頭罩外表面第1-12個(gè)區(qū)域內(nèi)氣動(dòng)熱流密 度，因此本發(fā)明可W計(jì)算當(dāng)頭罩外表面熱流密度隨時(shí)間變化情況下頭罩氣動(dòng)熱響應(yīng)。
[0016] 對(duì)應(yīng)的力學(xué)邊界條件包括；頭罩內(nèi)側(cè)均一分布?xì)鈮篧及頭罩外表面氣動(dòng)壓力分 布數(shù)據(jù)文件pres_out. dat, pres_out. dat文件的數(shù)據(jù)如附圖6所示；文件中第1行，第 14行，…第l+13*(i-l)行分別表示第i個(gè)時(shí)間間隔表示的計(jì)算時(shí)間，文件第2-13行，第 化13Q-1)-化13*i行分別表示第i個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)頭罩外表面第1-12個(gè)區(qū)域內(nèi)氣動(dòng)壓力，因 此本發(fā)明可W計(jì)算當(dāng)頭罩外表面氣動(dòng)壓力隨時(shí)間變化情況下頭罩氣動(dòng)熱響應(yīng)。
[0017] 四、基于AP化語(yǔ)言的求解控制W及結(jié)果后處理
[0018] 根據(jù)表1，該部分內(nèi)容對(duì)應(yīng)于表1中的運(yùn)行2與運(yùn)行3。本發(fā)明在進(jìn)行求解計(jì)算 時(shí)，充分利用了 AP化語(yǔ)言的二次開發(fā)功能，采用宏進(jìn)行多層循環(huán)的控制。在本發(fā)明中采用 *if-then-else，*endif命令在每個(gè)載荷步進(jìn)行之前比較計(jì)算所得的最大溫度與材料烙點(diǎn) 的關(guān)系，來(lái)判斷此載荷步是否進(jìn)行。采用*do，*enddo命令來(lái)控制循環(huán)的次數(shù)W及計(jì)算的時(shí) 間總長(zhǎng)。當(dāng)計(jì)算達(dá)到時(shí)間總長(zhǎng)時(shí)，循環(huán)結(jié)束，然后可W根據(jù)實(shí)際要求計(jì)算得到時(shí)間總長(zhǎng)范圍 內(nèi)不同時(shí)刻的熱響應(yīng)結(jié)果。
[0019] 另外，在本發(fā)明中通過(guò)編寫AP化命令控制ANSYS通用后處理器，經(jīng)過(guò)ANSYS求 解后，對(duì)球形頭罩所有節(jié)點(diǎn)的溫度、熱應(yīng)變、熱應(yīng)力、熱形變數(shù)據(jù)利用*get，*do, *enddo， *cfopen，*cfclos等命令按照要求的格式輸出數(shù)據(jù)文件。在本發(fā)明中，采用W下AP化語(yǔ)言 獲得了 86406個(gè)節(jié)點(diǎn)沿X，Y，Z軸方向的變形數(shù)據(jù)，其他結(jié)果數(shù)據(jù)均可采用類似方法進(jìn)行輸 出。
[0020] *do,j，1，噸oints
[0021] *get，ux，node,j，u，X
[0022] *get，uy，node,j，u，y
[0023] *get，uz，node,j，u，z
[0024] *vwrite，j，ux，uy，uz
[00巧] (fl5. 1，f25. 10, f25. 10, f25. 10)
[0026] *enddo
[0027] 另外為了數(shù)據(jù)更加直觀，在仿真過(guò)程中可W根據(jù)需求輸出溫度、不同軸方向的熱 應(yīng)變、熱應(yīng)力、熱形變等值線分布圖，在本發(fā)明中給出了計(jì)算時(shí)刻為Is時(shí)的沿X軸方向的熱 形變與沿Y軸方向的熱應(yīng)力等值分布圖結(jié)果如圖8-9所示。
[002引在本發(fā)明中，采用了 ANSYS批處理炬atch)方式，首先通過(guò)使用AP化命令流，可靈 活建立任意尺寸的球形頭罩，且頭罩頂端到底端距離也可依據(jù)用戶要求做出改動(dòng)。接下來(lái) 在本發(fā)明中依靠AP化語(yǔ)言對(duì)所建立的計(jì)算模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并將劃分網(wǎng)格后節(jié)點(diǎn)的坐 標(biāo)數(shù)據(jù)寫入文件。然后對(duì)前邊已經(jīng)建立的有限元模型進(jìn)行換熱與力邊界條件載荷的施加， 并進(jìn)行求解。在換熱邊界條件的施加方式上，本發(fā)明可W實(shí)現(xiàn)隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化的熱流的施 加，進(jìn)而可W得到總時(shí)間范圍內(nèi)任意時(shí)刻球形光學(xué)頭罩的溫度場(chǎng)、熱應(yīng)力場(chǎng)、熱應(yīng)變場(chǎng)和熱 形變場(chǎng)。最后通過(guò)AP化控制ANSYS后處理器按要求輸出頭罩溫度、熱形變、熱應(yīng)變、熱應(yīng)力 數(shù)據(jù)W及對(duì)應(yīng)的等值線分布圖。其次，可W根據(jù)實(shí)際情況對(duì)所編寫的AP化命令進(jìn)行簡(jiǎn)單的 修改，使其能擁有更更加廣泛的應(yīng)用范圍，不僅僅局限于球形光學(xué)頭罩的分析。
[0029] 本發(fā)明通過(guò)AP化命令可W實(shí)現(xiàn)任意尺寸球形光學(xué)頭罩模型的建立，通過(guò)控制頭 罩底端到頂端的距離與部分圓環(huán)所對(duì)的圓屯、角的轉(zhuǎn)化關(guān)系，達(dá)到了靈活建立模型的目的。 另外相比較直接采用用戶界面進(jìn)行分析的過(guò)程，本發(fā)明避免了同一類問(wèn)題多次進(jìn)行加載費(fèi) 事、費(fèi)力、易錯(cuò)等缺點(diǎn)，而且通過(guò)宏的使用成功實(shí)現(xiàn)了頭罩外表面熱流密度和氣動(dòng)壓力隨時(shí) 間變化情況下頭罩氣動(dòng)熱響應(yīng)的動(dòng)態(tài)計(jì)算。
【附圖說(shuō)明】
[0030] 圖1為利用AP化語(yǔ)言建立的對(duì)應(yīng)角度的部分圓環(huán)結(jié)構(gòu)圖；
[0031] 圖2為部分圓環(huán)結(jié)構(gòu)二維網(wǎng)格劃分結(jié)果示意圖；
[003引圖3為由AP化從面旋轉(zhuǎn)到體建立的球形頭罩內(nèi)側(cè)有限元模型；
[003引圖4為由AP化從面旋轉(zhuǎn)到體建立的球形頭罩外側(cè)有限元模型；
[0034] 圖5為球形頭罩外表面氣動(dòng)熱流密度數(shù)據(jù)存放格式示意圖；
[0035] 圖6為球形頭罩外表面氣動(dòng)壓力數(shù)據(jù)存放格式示意圖；
[0036] 圖7為球形頭罩所劃