CN104732010A - 一种多层防热结构快速优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多层防热结构快速优化方法，可用于防热结构快速分析及设计，属于结构热分析技术领域。1)对防热结构建立一维传热分析有限元模型；2)对步骤1)中得到的模型施加初始条件；3)对步骤1)中得到的模型施加边界条件；4)采用有限元工具对步骤1)得到的有限元模型进行单元划分，得到单元模型；5)采用有限元工具对传热分析模型进行计算，并提取壳体温度；6)将步骤1)、步骤2)和步骤3)中使用到的参数以及步骤5)中提取的壳体温度参数输出到文档，并保存为参数文件1；7)检查参数文件1，是否满足防热设计要求。本发明的方法能快速完成多层防热结构的优化设计，提高了工作效率。

Description

一种多层防热结构快速优化方法

技术领域

本发明涉及一种多层防热结构快速优化方法，可用于防热结构快速分析及设计，属于结构热分析技术领域。

背景技术

多层防热结构是国内外运载火箭普遍采用的形式。目前多层防热结构设计有以下两种方法：(1)根据以前的防热结构考核试验，推出近似的防热结构方案，并进行试验考核；(2)采用有限元分析软件，建立传热分析模型，计算设定防热结构下温度分布，然后根据设计要求，逐步调整防热结构参数，直至满足设计要求。第一种方法无法在复杂热流条件下应用，而第二种方法需要试凑结构参数，工作量大。

发明内容

本发明的目的是为了提出一种多层防热结构快速优化方法，该方法将防热结构的设计过程标准化，提供了快速计算防热涂层厚度的方法，提高工作效率和分析质量。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的一种多层防热结构快速优化方法，步骤为：

1)对防热结构建立一维传热分析有限元模型，有限元模型中所使用的参数为壳体的材料属性、涂层的材料属性、壳体的几何尺寸和涂层的几何尺寸；

所述的壳体的材料属性是指壳体材料的密度、比热、热导率；

所述的涂层的材料属性是指涂层材料的密度、比热、热导率；

所述的壳体的几何尺寸是指壳体的厚度；

所述的涂层的几何尺寸是指涂层的厚度；

2)对步骤1)中得到的模型施加初始条件，初始条件包括壳体的初始温度和涂层的初始温度；

3)对步骤1)中得到的模型施加边界条件，边界条件包括热流载荷、辐射条件。

所述的热流载荷是指对流换热载荷，热流载荷参数为随时间变化的对流换热系数和随时间变化的壁面环境温度；

所述的辐射条件是指涂层外壁对空间的辐射散热条件，辐射条件参数为涂层外壁的辐射系数和空间环境温度；

4)采用有限元工具对步骤1)得到的有限元模型进行单元划分，得到单元模型，得到的单元模型为传热分析模型，采用线性热传导单元；

进行单元划分时要求涂层不少于4个单元，以达到足以描述温度场的要求；

5)采用有限元工具对传热分析模型进行计算，并提取壳体温度；

6)将步骤1)、步骤2)和步骤3)中使用到的参数以及步骤5)中提取的壳体温度参数输出到文档，并保存为参数文件1；

7)检查参数文件1，是否满足防热设计要求：

如果壳体温度与设计要求温度相差小于5％(|壳体温度-设计温度|/设计温度)，则结束优化分析；

如果壳体温度高于设计要求温度，且相差大于5％((壳体温度-设计温度)/设计温度)，则将参数文件1中涂层厚度增大1倍，并执行步骤1)到步骤5)，然后将步骤1)、步骤2)和步骤3)中使用到的参数以及步骤5)中提取的壳体温度参数输出到文档，并保存为参数文件2；

如果壳体温度低于设计要求温度，且相差大于5％((设计温度-壳体温度)/设计温度)，则将参数文件1中涂层厚度减小到一半，并执行步骤1)到步骤5)，然后将步骤1)、步骤2)和步骤3)中使用到的参数以及步骤5)中提取的壳体温度参数输出到文档，并保存为参数文件2；

8)检查参数文件2，是否满足防热设计要求；

如果壳体温度与设计要求温度相差小于5％，则结束优化分析；

如果壳体温度与设计要求温度相差大于5％，则根据参数文件1中的涂层厚度和壳体温度、参数文件2中的涂层厚度和壳体温度、设计要求温度，进行线性插值获得新涂层厚度；将参数文件2的内容赋予参数文件1，并将新涂层厚度保存到参数文件2，并执行步骤1)到步骤5)，并将新壳体温度保存到参数文件2；

9)重复步骤8)，直到优化分析完成。

有益效果

本发明的方法能快速完成多层防热结构的优化设计，提高了工作效率。

附图说明

图1为实施例中线性插值示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

一种多层防热结构快速优化方法，步骤为：

1)建立多层结构的有限元模型，包括建立几何模型、赋属性。防热结构为2层，第一层为铝合金壳体，厚度为3mm；第二层为复合材料涂层，厚度为1mm；铝合金的密度为2800kg/m³，比热为1000J/(kg.℃)，热导率为200W/(m.K)；复合材料的密度为1600kg/m³，比热为1260J/(kg.℃)，热导率为0.4W/(m.K)，复合材料为高硅氧复合材料；

2)对步骤1)中得到的模型施加初始条件，壳体和涂层的初始温度均为25℃；

3)对步骤1)中得到的模型施加边界条件，涂层外壁辐射系数为0.8、环境温度为0℃；涂层外壁对流换热边界条件为，对流换热系数为0.1kJ/(m².℃)、涂层外壁环境温度为2000℃，持续时间为10s；

4)采用有限元软件Abaqus对步骤1)得到的有限元模型进行单元划分，涂层划分为4个单元，壳体划分为10个单元，得到的单元模型有14个单元，单元模型为传热分析模型，采用线性热传导单元；

5)采用有限元软件Abaqus进行传热分析，壳体最高温度为182℃。

6)将步骤1)中的铝合金壳体厚度3mm、复合材料涂层厚度1mm、铝合金的密度2800kg/m³、铝合金比热1000J/(kg.℃)、铝合金热导率200W/(m.K)、复合材料的密度1600kg/m³、复合材料比热1260J/(kg.℃)、复合材料热导率0.4W/(m.K)、壳体的初始温度25℃、涂层的初始温度25℃、涂层外壁辐射系数0.8、、涂层外壁辐射环境温度0℃、涂层外壁对流换热系数0.1kJ/(m².℃)、涂层外壁环境温度2000℃、持续时间为10s以及步骤5)中提取的壳体最高温度182℃输出到文档，并保存为参数文件1；

7)防热设计要求壳体温度低于100℃，|壳体温度-设计温度|/设计温度＝82％，不满足防热设计要求；

则将涂层厚度增大1倍，即涂层厚度为2mm，并执行步骤1)到步骤5)；将步骤1)、步骤2)、步骤3)中的参数以及步骤5)中壳体的最高温度参数输出到文档，并保存为参数文件2；

8)壳体最高温度为106℃，|壳体温度-设计温度|/设计温度＝6％，不满足防热设计要求；

根据前两次计算结果，以涂层厚度为横坐标、以壳体最高温度为纵坐标，线性插值，如图1所示，当壳体最高温度为100℃时，涂层厚度为2.08mm，将参数文件2的内容赋予参数文件1，并将新涂层厚度2.08mm保存到参数文件2，并执行步骤1)到步骤5)，最后得到壳体最高温度为101.8℃，并保存到参数文件2；

9)|壳体温度-设计温度|/设计温度＝1.8％，误差小于5％，满足设计要求，优化设计完成。

Claims (1)

1.一种多层防热结构快速优化方法，其特征在于步骤为：

1)对防热结构建立一维传热分析有限元模型，有限元模型中所使用的参数为壳体的材料属性、涂层的材料属性、壳体的几何尺寸和涂层的几何尺寸；

所述的壳体的材料属性是指壳体材料的密度、比热、热导率；

所述的涂层的材料属性是指涂层材料的密度、比热、热导率；

所述的壳体的几何尺寸是指壳体的厚度；

所述的涂层的几何尺寸是指涂层的厚度；

2)对步骤1)中得到的模型施加初始条件，初始条件包括壳体的初始温度和涂层的初始温度；

3)对步骤1)中得到的模型施加边界条件，边界条件包括热流载荷、辐射条件；

所述的热流载荷是指对流换热载荷，热流载荷参数为随时间变化的对流换热系数和随时间变化的壁面环境温度；

所述的辐射条件是指涂层外壁对空间的辐射散热条件，辐射条件参数为涂层外壁的辐射系数和空间环境温度；

4)采用有限元工具对步骤1)得到的有限元模型进行单元划分，得到单元模型，得到的单元模型为传热分析模型，采用线性热传导单元；

进行单元划分时要求涂层不少于4个单元，以达到足以描述温度场的要求；

5)采用有限元工具对传热分析模型进行计算，并提取壳体温度；

6)将步骤1)、步骤2)和步骤3)中使用到的参数以及步骤5)中提取的壳体温度参数输出到文档，并保存为参数文件1；

7)检查参数文件1，是否满足防热设计要求：

如果壳体温度与设计要求温度相差小于5％，则结束优化分析；

如果壳体温度高于设计要求温度，且相差大于5％，则将参数文件1中涂层厚度增大1倍，并执行步骤1)到步骤5)，然后将步骤1)、步骤2)和步骤3)中使用到的参数以及步骤5)中提取的壳体温度参数输出到文档，并保存为参数文件2；

如果壳体温度低于设计要求温度，且相差大于5％，则将参数文件1中涂层厚度减小到一半，并执行步骤1)到步骤5)，然后将步骤1)、步骤2)和步骤3)中使用到的参数以及步骤5)中提取的壳体温度参数输出到文档，并保存为参数文件2；

8)检查参数文件2，是否满足防热设计要求；

如果壳体温度与设计要求温度相差小于5％，则结束优化分析；

如果壳体温度与设计要求温度相差大于5％，则根据参数文件1中的涂层厚度和壳体温度、参数文件2中的涂层厚度和壳体温度、设计要求温度，进行线性插值获得新涂层厚度；将参数文件2的内容赋予参数文件1，并将新涂层厚度保存到参数文件2，并执行步骤1)到步骤5)，并将新壳体温度保存到参数文件2；

9)重复步骤8)，直到优化分析完成。