CN106528935A - 一种用于捷联式海洋重力仪的热设计方法 - Google Patents

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郭纬川
李海兵
马杰
李东明
薛正兵
胡宝余
郭刚
曾宪超
楚贤
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Abstract

一种用于捷联式海洋重力仪的热设计方法，为重力仪制定热设计方案，采用保温材料隔热降低自动传热、加温片加热和风道风扇系统散热增大主动可控传热，为捷联式海洋重力仪提供一级温控。在有限元分析软件中利用参数目标驱动优化方法对捷联式海洋重力仪三维模型进行仿真分析，得到温度场响应曲面。在温箱中进行实物温度试验，根据规律趋势调整参数，得到热设计参数，实现对重力仪的热设计。本发明给出了热设计方案，并能够快速精确确定热设计参数，利用该方法对重力仪进行热设计，能够有效保证重力仪在海洋重力测量时温度恒定，提高测量精度。

Description

一种用于捷联式海洋重力仪的热设计方法
技术领域
本发明涉及一种用于捷联式海洋重力仪的热设计方法，属于重力测量产品设计领域。
背景技术
目前，重力测量在资源勘探、固体潮监测等民用和科学研究方面应用广泛。航空重力测量系统的出现使得高效、大范围的重力测量成为可能。在资源勘探方面要求重力测量系统的精度优于1mGal(1mGal＝10-5m/s2＝1μg)。
重力测量在作业实施时，无论载体是飞机、车辆还是船舶，基本上都没有温度调节装置，载体内部温度受海拔高度、太阳辐射的影响很大，特别是无人机环境中，尤为恶劣，而重力仪系统所用的核心测试器件都对温度极其敏感，在恶劣的环境下重力测量精度降低，甚至测试数据无效。由于海洋重力测量的特殊性，每次测量作业成本很高，因此对重力仪进行热设计，使重力仪本体温度恒定，迫在眉睫。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种用于捷联式海洋重力仪的热设计方法，给出了热设计方案，并能够快速精确确定热设计参数，利用该方法对重力仪进行热设计，能够有效保证重力仪在海洋重力测量时温度恒定，提高测量精度。
本发明的技术解决方案是：一种用于捷联式海洋重力仪的热设计方法，步骤如下：
(1)在捷联式海洋重力仪本体以及箱体内壁上沿周向均匀分布加温片，在箱体外表面敷设一层隔热材料，隔热材料与箱体侧壁之间设计有多条风道，在箱体上盖和下盖上分别布置多个风扇；
(2)对捷联式海洋重力仪进行三维建模；
(3)根据捷联式海洋重力仪中发热元器件的功率确定热源参数，设定外界环境温度、模型中不同材料的热参数和辐射系数，设计各个加温片的功率和风扇的风量参数，在有限元分析软件中利用目标驱动优化方法根据上述参数对捷联式海洋重力仪三维模型进行温度仿真分析，得到本体温度场响应曲面；
(4)根据本体温度场响应曲面确定加温片功率和风扇风量参数对捷联式海洋重力仪本体温度的影响规律趋势；根据捷联式海洋重力仪传感器的最佳工作温度范围和步骤(3)得到的本体温度场响应曲面以及海洋重力测量的外界环境温度范围，确定本体稳定工作温度和不同外界环境温度下每个加温片的功率和每个风扇的风量；
(5)构建捷联式海洋重力仪实物模型，其材料的热参数和辐射系数与步骤(3)相同，在高低温箱中实现所要求的外界环境温度，根据仿真分析结果对加温片功率和风扇风量进行设置，进行实物温度试验，得到本体温度；
(6)如果本体温度为步骤(4)确定的稳定工作温度，则根据外界环境温度按照步骤(4)确定的加温片功率和风扇风量对重力仪进行热设计；否则，根据加温片功率和风扇风量参数对重力仪本体温度的影响规律趋势对每个加温片的功率和每个风扇的风量进行微调，使本体温度达到步骤(4)确定的稳定工作温度，利用此时每个加温片的功率和每个风扇的风量对重力仪进行热设计。
所述步骤(3)中在有限元分析软件中对捷联式海洋重力仪三维模型进行仿真分析时，网格模型采用六面体和四面体的实体混合模型，网格大小控制在5mm-7mm。
所述步骤(4)中确定不同外界环境温度下每个加温片功率和每个风扇风量的方法为：
(3.1)根据本体稳定工作温度和本体温度场响应曲面确定不同环境温度下每个加温片功率范围和每个风扇风量范围；
(3.2)每个加温片的功率p按照下式计算：
其中p1、p2分别为该加温片功率范围的中间值；
每个风扇的风量f按照下式计算：
f1、f2为该风扇风量范围的中间值。
所述保温材料采用聚氨酯泡沫，导热系数0.02，厚度为8mm-15mm。
所述箱体上盖上的风扇沿上盖中心对称，且靠近上盖的边缘；箱体下盖上的风扇沿下盖中心对称，且靠近下盖的边缘，所述风扇放置方式满足风道下进风、上吸风。。
所述加温片均匀布置在本体和箱体上，保证本体和箱体温度快速均匀扩散。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明热设计方案采用加温片加热，保温材料隔热和设计风道利用风扇进行散热，保温材料采用导热系数0.02、厚度为8mm-15mm的聚氨酯泡沫，能够将重力仪与外界环境隔离成分开的两个部分，减小了重力仪与外界的自动传热，保证隔热效果；通过加温片加热以及设计风道利用风扇进行散热方式增大主动可控传热，在特定的环境下加快了与外界的主动可控传热。风道采用下进风，上吸风的设置，增大了空气对流散热。因此本发明的热设计方案既能够适应低温的外界环境，又能在高温的环境下保持相对稳定的散热。
(2)本发明采用目标驱动优化方法通过一次仿真分析即可得到响应曲面，能够快速确定热设计参数，与选择不同参数进行多次实物试验确定热设计参数相比，本发明降低了成本，且参数设计更准确，同时能够对各种设计参数对重力仪本体温度的影响趋势做出全面准确的判断。
(3)本发明在确定热设计参数后，还要进行实物温度试验，充分保证热设计参数可靠，确保重力仪在海洋重力测量时温度恒定，提高测量精度，降低实施风险。
附图说明
图1为本发明工作流程图；
图2为重力仪的热设计模型示意图，其中(a)为本体、隔热材料和风扇示意图，(b)为风道示意图；
图3为某组参数下重力仪热设计模型的温度场图；
图4为利用本发明方法设计的某重力仪在海洋重力测量时的温度变化曲线。
具体实施方式
本发明提出了一种用于捷联式海洋重力仪的热设计方法，采用加温片加热，保温材料隔热和设计风道利用风扇进行散热方式，既能够适应低温的外界环境，又能在高温的环境下保持相对稳定的散热，利用仿真分析方法采用参数目标驱动优化方法得到响应曲面，进而指导实物温度试验来确定热设计参数，如图1所示，其具体步骤如下所述：
(1)在捷联式海洋重力仪本体以及箱体内壁上沿周向均匀布置加温片，在箱体外表面敷设一层保温材料，保温材料与箱体侧壁之间设计有多条风道，在箱体上盖和下盖上分别布置多个风扇。如图2所示为重力仪的热设计模型图，其中(a)为本体、隔热材料和风扇示意图，(b)为风道示意图。其中加温片均匀布置在本体和箱体上，能够保证本体和箱体温度快速均匀扩散。
箱体上盖上的风扇沿上盖中心对称，且靠近上盖的边缘；箱体下盖上的风扇沿下盖中心对称，且靠近下盖的边缘。下盖的风扇和上盖的风扇均向上吹风，以使风道下进风、上吸风，从而增大空气对流，提高散热效果。
为了降低自动传热、实现有效隔热，本发明隔热材料采用聚氨酯泡沫，导热系数0.02，厚度为8mm-15mm，优选为10mm。本发明设计风道沿箱体外表面均匀分布，风道表面积与箱体体积比例为27％，高温环境下对流散热效果明显。
(2)对捷联式海洋重力仪进行三维建模；
(3)根据捷联式海洋重力仪中发热元器件的功率确定热源参数，设定模型中不同材料的热参数(比热容、传热系数等)和辐射系数，设计各个加温片的功率和风扇的风量参数以及不同的外界环境温度，在有限元分析软件中利用目标驱动优化方法对外界环境温度、各加温片功率、各风扇风量进行温度仿真分析，得到本体温度场响应曲面。图3为某组参数下重力仪模型的温度场图。
进行仿真分析时，网格模型采用六面体和四面体的实体混合模型，网格大小控制在5mm左右，网格划分完成后节点数48811，单元数27859。
(4)根据本体温度场响应曲面确定加温片功率和风扇风量参数对捷联式海洋重力仪本体温度的影响规律趋势；根据捷联式海洋重力仪传感器的最佳工作温度范围和步骤(3)得到的本体温度场响应曲面以及海洋重力测量的外界环境温度范围，确定本体稳定工作温度和不同环境温度下每个加温片的功率范围和每个风扇的风量范围。每个加温片的功率为其功率范围的中间值，每个风扇的风量为其风量范围的中间值。
(5)构建捷联式海洋重力仪实物模型，其材料的热参数和辐射系数与步骤(3)相同，在高低温箱中实现所要求的外界环境温度，根据仿真分析结果对加温片功率和风扇风量进行设置，进行实物温度试验，得到本体温度；
(6)如果本体温度为本体稳定工作温度，则按照步骤(4)确定的参数实现对重力仪的热设计；否则，根据加温片功率和风扇风量参数对重力仪本体温度的影响规律趋势对每个加温片的功率和每个风扇的风量进行微调，使本体温度达到本体稳定工作温度，利用此时每个加温片的功率和每个风扇的风量实现对重力仪的热设计。
在实际对重力仪进行热设计时，为了保证重力仪本体的温度稳定，可以进一步设计有控制器，事先将不同外界环境温度对应的每个加温片的功率和每个风扇的风量写入控制器，然后根据当前外界环境温度对重力仪进行热设计，当外界环境温度变化时，控制器可以根据事先写入的内容对加温片的功率和风扇的风量进行调节。
图4为利用本发明方法对某重力仪进行热设计后，进行海洋重力测量时的温度变化曲线。由图可知，30天的测量过程中，重力仪本体的温度基本稳定在58℃。从而有效保证了安装在本体上的核心传感器能够高精度的测量，提高了重力仪整体测量精度。
本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (6)

1.一种用于捷联式海洋重力仪的热设计方法，其特征在于步骤如下：
(1)在捷联式海洋重力仪本体以及箱体内壁上沿周向均匀分布加温片，在箱体外表面敷设一层隔热材料，隔热材料与箱体侧壁之间设计有多条风道，在箱体上盖和下盖上分别布置多个风扇；
(2)对捷联式海洋重力仪进行三维建模；
(3)根据捷联式海洋重力仪中发热元器件的功率确定热源参数，设定外界环境温度、模型中不同材料的热参数和辐射系数，设计各个加温片的功率和风扇的风量参数，在有限元分析软件中利用目标驱动优化方法根据上述参数对捷联式海洋重力仪三维模型进行温度仿真分析，得到本体温度场响应曲面；
(4)根据本体温度场响应曲面确定加温片功率和风扇风量参数对捷联式海洋重力仪本体温度的影响规律趋势；根据捷联式海洋重力仪传感器的最佳工作温度范围和步骤(3)得到的本体温度场响应曲面以及海洋重力测量的外界环境温度范围，确定本体稳定工作温度和不同外界环境温度下每个加温片的功率和每个风扇的风量；
(5)构建捷联式海洋重力仪实物模型，其材料的热参数和辐射系数与步骤(3)相同，在高低温箱中实现所要求的外界环境温度，根据仿真分析结果对加温片功率和风扇风量进行设置，进行实物温度试验，得到本体温度；
(6)如果本体温度为步骤(4)确定的稳定工作温度，则根据外界环境温度按照步骤(4)确定的加温片功率和风扇风量对重力仪进行热设计；否则，根据加温片功率和风扇风量参数对重力仪本体温度的影响规律趋势对每个加温片的功率和每个风扇的风量进行微调，使本体温度达到步骤(4)确定的稳定工作温度，利用此时每个加温片的功率和每个风扇的风量对重力仪进行热设计。
2.根据权利要求1所述的一种用于捷联式海洋重力仪的热设计方法，其特征在于：所述步骤(3)中在有限元分析软件中对捷联式海洋重力仪三维模型进行仿真分析时，网格模型采用六面体和四面体的实体混合模型，网格大小控制在5mm-7mm。
3.根据权利要求1所述的一种用于捷联式海洋重力仪的热设计方法，其特征在于：所述步骤(4)中确定不同外界环境温度下每个加温片功率和每个风扇风量的方法为：
(3.1)根据本体稳定工作温度和本体温度场响应曲面确定不同环境温度下每个加温片功率范围和每个风扇风量范围；
(3.2)每个加温片的功率p按照下式计算：
其中p1、p2分别为该加温片功率范围的中间值；
每个风扇的风量f按照下式计算：
f1、f2为该风扇风量范围的中间值。
4.根据权利要求1所述的一种用于捷联式海洋重力仪的热设计方法，其特征在于：所述保温材料采用聚氨酯泡沫，导热系数0.02，厚度为8mm-15mm。
5.根据权利要求1所述的一种用于捷联式海洋重力仪的热设计方法，其特征在于：所述箱体上盖上的风扇沿上盖中心对称，且靠近上盖的边缘；箱体下盖上的风扇沿下盖中心对称，且靠近下盖的边缘，所述风扇放置方式满足风道下进风、上吸风。
6.根据权利要求5所述的一种用于捷联式海洋重力仪的热设计方法，其特征在于：所述加温片均匀布置在本体和箱体上，保证本体和箱体温度快速均匀扩散。
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