CN107391819A - 一种缝合式热防护结构热相关参数的预测方法 - Google Patents
一种缝合式热防护结构热相关参数的预测方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种缝合式热防护结构热相关参数的预测方法，包括如下步骤：(1)基于有限元法，建立缝合式热防护结构的单胞模型；(2)将单胞模型按材料属性建立子模型，确定参数预测的初始温度；(3)施加周期性边界条件，计算各子模型的等效刚度矩阵；(4)对单胞模型施加单位温度差值，计算缝合式热防护结构的等效热参数；(5)改变分析温度，得到不同温度下缝合式热防护结构的相关弹性参数。采用本发明可以建立较为简单有效的缝合材料，同时计算缝合材料在不同温度下的热相关参数。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料静力学性能参数计算技术领域，尤其是一种缝合式热防护结构热相关参数的预测方法。
背景技术
为了解决飞行器的热防护问题，具有承载和隔热双重功能的热防护结构被广泛提出。目前工程应用多采用缝合的方式来实现热防护结构的多级结构一体化。其中复合材料夹芯板是一种典型的一体化热防护结构，其结构既具有复合材料抗屈曲、高刚度和高强度的特性，又通过在夹芯层中填充隔热材料，具有良好的防隔热性能。为了提高夹芯板的层间性能，层合板厚度方向通常还会引入缝合线，即缝合式热防护结构。
对缝合式热防护结构整体性能研究时，常需要使用等效的方法预测结构的等效均质参数，以提高宏观力学表现的计算精度，该方法的核心是复合材料等效弹性参数的预测。在结构实际应用中，常常需要在高温或超高温下工作，即提供了预测热防护结构热参数的必要性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种缝合式热防护结构热相关参数的预测方法，能够有效预测缝合式热防护结构不同温度下的热相关参数。
为解决上述技术问题，本发明提供一种缝合式热防护结构热相关参数的预测方法，包括如下步骤：
(1)基于有限元法，建立缝合式热防护结构的单胞模型；
(2)将单胞模型按材料属性建立子模型，确定参数预测的初始温度；
(3)施加周期性边界条件，计算各子模型的等效刚度矩阵；
(4)对单胞模型施加单位温度差值，计算缝合式热防护结构的等效热参数；
(5)改变分析温度，得到不同温度下缝合式热防护结构的相关弹性参数。
优选的，步骤(1)中缝合式材料的单胞模型根据缝合材料的几何结构确定，缝合线用一维杆单元代替，连接热防护结构。
优选的，步骤(3)计算各子模型的等效刚度矩阵具体包括如下步骤：
(31)根据所建热防护结构模型的材料属性的不同量级建立子模型；
(32)选择每一个子模型，分别施加周期性边界条件，给模型施加对应的单位应变，再根据依次施加的单位正应变得到的应力列阵等于刚度矩阵中相应的一列，依次计算出各边界条件下的单元列阵的应力分布和应变分布，然后采用等式(1)计算出平均应力和平均应变
(33)利用计算的六组边界条件按等式(2)计算出热防护结构的等效刚度矩阵，求逆得到等效柔度矩阵，由等式(3)得到热防护结构各子模型的等效弹性参数。
式中，和分别为等效的应力和应变参数，σij和εij分别为每一个子模型单元的应力和应变参数，V为对应子模型的体积，和分别为等效的刚度矩阵和柔度矩阵。
优选的，步骤(4)计算缝合式热防护结构的等效热参数具体包括如下步骤：
(41)给热防护结构的子模型施加四边固支约束，保证单胞整体结构不发生任何变形，施加单位温度差；
(42)由等式(4)得到各边界条件下的平均应力和单元的温度梯度，然后将平均热应力归一化，即得到单元温度梯度下结构的热应力，即等效热模量，由等式(5)得到等效热膨胀系数；
式中βe表示等效热模量，表示单位长度的温度梯度的平均值；
式中，α为等效热膨胀系数。
本发明的有益效果为：本发明提供了一种缝合式热防护结构的热相关参数的预测方法，提出了一种简单的热防护结构子模型建模方法，根据防护结构材料属性的量级划分模型，由一维杆单元代替缝合线等效子模型的材料参数，通过刚度平均法预测弹性参数，计算温度梯度预测热相关参数，提供了一种完整的预测热防护结构热相关参数的方法。
附图说明
图1为本发明的预测方法流程示意图。
图2为本发明的缝合式热防护结构的单胞模型示意图。
图3为本发明的缝合式热防护结构芯层的单胞模型示意图。
图4为本发明的缝合式热防护结构面板的单胞模型示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种缝合式热防护结构热相关参数的预测方法，包括如下步骤：
(1)基于有限元法，建立缝合式热防护结构的单胞模型；
(2)将单胞模型按材料属性建立子模型，确定参数预测的初始温度；
(3)施加周期性边界条件，计算各子模型的等效刚度矩阵；
(4)对单胞模型施加单位温度差值，计算缝合式热防护结构的等效热参数；
(5)改变分析温度，得到不同温度下缝合式热防护结构的相关弹性参数。
步骤(1)中缝合式材料的单胞模型根据缝合材料的几何结构确定，缝合线用一维杆单元代替，连接热防护结构。
步骤(3)计算各子模型的等效刚度矩阵具体包括如下步骤：
(31)根据所建热防护结构模型的材料属性的不同量级建立子模型；
(32)选择每一个子模型，分别施加周期性边界条件，给模型施加对应的单位应变，再根据依次施加的单位正应变得到的应力列阵等于刚度矩阵中相应的一列，依次计算出各边界条件下的单元列阵的应力分布和应变分布，然后采用等式(1)计算出平均应力和平均应变
(33)利用计算的六组边界条件按等式(2)计算出热防护结构的等效刚度矩阵，求逆得到等效柔度矩阵，由等式(3)得到热防护结构各子模型的等效弹性参数。
式中，和分别为等效的应力和应变参数，σij和εij分别为每一个子模型单元的应力和应变参数，V为对应子模型的体积，和分别为等效的刚度矩阵和柔度矩阵。
步骤(4)计算缝合式热防护结构的等效热参数具体包括如下步骤：
(41)给热防护结构的子模型施加四边固支约束，保证单胞整体结构不发生任何变形，施加单位温度差；
(42)由等式(4)得到各边界条件下的平均应力和单元的温度梯度，然后将平均热应力归一化，即得到单元温度梯度下结构的热应力，即等效热模量，由等式(5)得到等效热膨胀系数；
式中βe表示等效热模量，表示单位长度的温度梯度的平均值；
式中，α为等效热膨胀系数。
实施例：
缝合式热防护结构的芯层复合材料的弹性参数如下：
E11＝E22＝5230GPa，E33＝13.5GPa,G12＝10.2GPa，G13＝G23＝2.9GPa，μ12＝μ13＝μ23＝0.2，λ11＝λ22＝λ33＝6×10-6℃-1
面板复合材料的弹性参数如下：
E11＝E22＝E33＝5230GPa,G12＝5630GPa，G13＝G23＝2815GPa，μ12＝μ13＝μ23＝0.31,λ11＝λ22＝1.18×10-6℃-1,λ33＝1.78×10-6℃-1
缝合线的参数如下：
E＝75000GPa，μ＝0.24，λ＝5.4×10-6℃-1
一种缝合式热防护结构热相关参数预测方法，包括以下步骤：
(1)如图2所示，为建立的缝合式热防护结构的单胞模型，其中缝合线沿圆孔“几”字形缝合模型，单胞模型为对称结构，假设初始计算温度为20℃；
(2)如图3和图4所示，将单胞模型分为面板和芯层两个子单胞模型，确定参数预测的初始温度；
(3)施加周期性边界条件，计算各子模型的等效刚度矩阵；
(4)按照单胞模型的尺寸在各方向施加单位温度差，计算缝合式热防护结构的等效热参数；
(5)改变分析温度，得到不同温度下缝合式热防护结构的相关弹性参数。
在步骤(3)中，施加周期性边界条件，计算各子模型的等效刚度矩阵，包括以下步骤：
3.1)对子模型施加单位周期边界条件，按照等式(1)得到单胞模型的平均应力和平均应变
3.2)由等式(2)得到芯层与缝合线的等效刚度矩阵求逆得到等效柔度矩阵
3.3)由等式(3)得到芯层与缝合线的等效弹性参数。
芯层的等效弹性参数如下：
E11＝E22＝179GPa，E33＝543GPa,G12＝10.13GPa，G13＝G23＝2.88GPa，μ12＝0.2，μ13＝0.015，μ23＝0.01
面板的等效弹性参数如下
E11＝5666GPa，E22＝5040GPa，E33＝5494GPa,G12＝5309GPa，G13＝2654GPa，G23＝2654GPa，μ12＝0.32，μ13＝0.28，μ23＝0.3
在步骤(4)中，按照单胞模型的尺寸在各方向施加单位温度差，计算缝合式热防护结构的等效热参数；
4.1)给芯层施加四边固支约束，保证单胞整体结构不发生任何变形，施加单位温度差；
4.2)由等式(4)得到各边界条件下的平均应力和单元的温度梯度，然后将平均热应力归一化，即得到单元温度梯度下结构的热应力，即等效热模量，由等式(5)得到等效热膨胀系数
缝合式热防护结构面板的等效热参数如下：
λ11＝2.27×10-6℃-1，λ22＝1.91×10-6℃-1,λ33＝5.66×10-6℃-1
芯层的等效热参数如下：
λ11＝5.01×10-6℃-1，λ22＝2.61×10-6℃-1,λ33＝2.04×10-6℃-1。
尽管本发明就优选实施方式进行了示意和描述，但本领域的技术人员应当理解，只要不超出本发明的权利要求所限定的范围，可以对本发明进行各种变化和修改。
Claims (4)
1.一种缝合式热防护结构热相关参数的预测方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)基于有限元法，建立缝合式热防护结构的单胞模型；
(2)将单胞模型按材料属性建立子模型，确定参数预测的初始温度；
(3)施加周期性边界条件，计算各子模型的等效刚度矩阵；
(4)对单胞模型施加单位温度差值，计算缝合式热防护结构的等效热参数；
(5)改变分析温度，得到不同温度下缝合式热防护结构的相关弹性参数。
2.如权利要求1所述的缝合式热防护结构热相关参数的预测方法，其特征在于，步骤(1)中缝合式材料的单胞模型根据缝合材料的几何结构确定，缝合线用一维杆单元代替，连接热防护结构。
3.如权利要求1所述的缝合式热防护结构热相关参数的预测方法，其特征在于，步骤(3)计算各子模型的等效刚度矩阵具体包括如下步骤：
(31)根据所建热防护结构模型的材料属性的不同量级建立子模型；
(32)选择每一个子模型，分别施加周期性边界条件，给模型施加对应的单位应变，再根据依次施加的单位正应变得到的应力列阵等于刚度矩阵中相应的一列，依次计算出各边界条件下的单元列阵的应力分布和应变分布，然后采用等式(1)计算出平均应力和平均应变
(33)利用计算的六组边界条件按等式(2)计算出热防护结构的等效刚度矩阵，求逆得到等效柔度矩阵，由等式(3)得到热防护结构各子模型的等效弹性参数。
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式中，和分别为等效的应力和应变参数，σij和εij分别为每一个子模型单元的应力和应变参数，V为对应子模型的体积，和分别为等效的刚度矩阵和柔度矩阵。
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4.如权利要求1所述的缝合式热防护结构热相关参数的预测方法，其特征在于，步骤(4)计算缝合式热防护结构的等效热参数具体包括如下步骤：
(41)给热防护结构的子模型施加四边固支约束，保证单胞整体结构不发生任何变形，施加单位温度差；
(42)由等式(4)得到各边界条件下的平均应力和单元的温度梯度，然后将平均热应力归一化，即得到单元温度梯度下结构的热应力，即等效热模量，由等式(5)得到等效热膨胀系数；
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式中βe表示等效热模量，表示单位长度的温度梯度的平均值；
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式中，α为等效热膨胀系数。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20171124 |