CN104732010B - 一种多层防热结构快速优化方法 - Google Patents

一种多层防热结构快速优化方法 Download PDF

Info

Publication number
CN104732010B
CN104732010B CN201510065346.4A CN201510065346A CN104732010B CN 104732010 B CN104732010 B CN 104732010B CN 201510065346 A CN201510065346 A CN 201510065346A CN 104732010 B CN104732010 B CN 104732010B
Authority
CN
China
Prior art keywords
temperature
parameter
coating
parameter file
model
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201510065346.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN104732010A (zh
Inventor
章凌
林川
王立朋
佟文敏
黎汉华
季宝锋
耿文涛
李林生
吴浩
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
China Academy of Launch Vehicle Technology CALT
Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering
Original Assignee
China Academy of Launch Vehicle Technology CALT
Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by China Academy of Launch Vehicle Technology CALT, Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering filed Critical China Academy of Launch Vehicle Technology CALT
Priority to CN201510065346.4A priority Critical patent/CN104732010B/zh
Publication of CN104732010A publication Critical patent/CN104732010A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN104732010B publication Critical patent/CN104732010B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)
  • Application Of Or Painting With Fluid Materials (AREA)

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)

1.一种用于运载火箭的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。
CN201510065346.4A 2015-02-06 2015-02-06 一种多层防热结构快速优化方法 Active CN104732010B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510065346.4A CN104732010B (zh) 2015-02-06 2015-02-06 一种多层防热结构快速优化方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510065346.4A CN104732010B (zh) 2015-02-06 2015-02-06 一种多层防热结构快速优化方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN104732010A CN104732010A (zh) 2015-06-24
CN104732010B true CN104732010B (zh) 2017-09-26

Family

ID=53455892

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201510065346.4A Active CN104732010B (zh) 2015-02-06 2015-02-06 一种多层防热结构快速优化方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN104732010B (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106971015B (zh) * 2016-01-13 2020-09-08 南京航空航天大学 一种空天飞行器热防护系统快速分析与设计方法
CN105843996A (zh) * 2016-03-18 2016-08-10 中国飞机强度研究所 一种防热结构优化方法
CN113255072B (zh) * 2021-04-25 2022-04-12 上海新力动力设备研究所 一种固体火箭发动机包覆套结构传热过程快速计算方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103366065A (zh) * 2013-07-17 2013-10-23 北京航空航天大学 一种基于区间可靠性的飞行器热防护系统尺寸优化设计方法
CN103678786A (zh) * 2013-11-29 2014-03-26 北京宇航系统工程研究所 一种运载火箭蒙皮桁条结构的有限元分析方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013243263A (ja) * 2012-05-21 2013-12-05 Internatl Business Mach Corp <Ibm> ３次元積層パッケージにおける電力供給と放熱（冷却）との両立

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103366065A (zh) * 2013-07-17 2013-10-23 北京航空航天大学 一种基于区间可靠性的飞行器热防护系统尺寸优化设计方法
CN103678786A (zh) * 2013-11-29 2014-03-26 北京宇航系统工程研究所 一种运载火箭蒙皮桁条结构的有限元分析方法

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
再入飞行器多层隔热结构优化分析;赵玲等;《航空学报》;20071130;第28卷(第6期);第1345-1350页 *
带热障涂层构件界面应力分析边界元法;董曼红等;《机械强度》;20030228;第25卷(第2期);第154-158页 *
轻质多层热防护结构的一体化优化设计研究;陈立明等;《力学学报》;20110331;第43卷(第2期);第289-295页 *
重复使用飞行器金属热防护系统的有限元分析与设计;解维华等;《航空学报》;20060731;第27卷(第4期);第650-656页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN104732010A (zh) 2015-06-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104217061B (zh) 低压配电柜的温度场仿真设计方法
CN104732010B (zh) 一种多层防热结构快速优化方法
CN103699744B (zh) 一种基于有限元法的风电主控柜体热管理分析及优化方法
CN105514066A (zh) 一种石墨烯复合红外辐射导热膜及其制作方法
CN104993740B (zh) 一种分段式温差发电器结构设计方法
CN103116677B (zh) 一种面向有源相控阵天线的微通道冷板设计方法
CN104408249B (zh) 单芯电缆导体热性参数的确定方法及系统
CN105468878A (zh) 一种通用锂离子动力电池包有限元仿真建模与设置方法
CN109133966A (zh) 一种层状梯度石墨膜/铝复合材料的制备方法
CN103147107B (zh) 一种引脚基座的加工工艺
CN110654526A (zh) 一种高温高热部位均温化方法及均温化结构
CN110972561B (zh) 一种实现高速飞行器燃料舱隔热层厚度优化的计算方法
CN106934099A (zh) 一种确定耐张线夹载流量与三维温度场分布的方法
CN116776596A (zh) 一种功率模块的仿真分析方法、装置、设备及介质
CN205030021U (zh) 一种散热装置
Park et al. Reduction of heat losses for the in-line induction heating system by optimization of thermal insulation
CN204994196U (zh) 用于电子元器件的散热隔热膜以及散热结构
Khan et al. Transient heat transfer in a heat‐generating fin with radiation and convection with temperature‐dependent heat transfer coefficient
Kushwah et al. Temperature Distribution Analysis of Cylinder Block with Fins for Various Materials and Different Geometry
Qiuming et al. Numerical study of skin temperature field on hot air anti-icing system in dry air flight based on fluid-solid coupled heat transfer
CN106528999B (zh) 基于有限公式改进数学模型的电机温度场迭代计算方法
CN206061179U (zh) 一种模具内部加热用的电加热棒
CN105042261A (zh) 户外保温水管
CN203645842U (zh) 一种轮机螺栓电加热器装置
Ju-Hua et al. Co-simulation of ANSYS and Pro/E in thermal analysis of HB-LED lamp

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant