CN111428398B - 一种C/SiC舵面热强度计算方法 - Google Patents
一种C/SiC舵面热强度计算方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明的一种C/SiC舵面热强度计算方法，通过以下步骤实现：步骤一，对C/SiC舵面建模，其中对C/SiC的接触面通过设置和消除虚拟过盈配合的方法来建模；步骤二，对建立的C/SiC舵面模型进行剩余强度系数计算；步骤三，通过对步骤二得到的剩余强度系数的处理，判断C/SiC舵面的热强度。本发明在C/SiC的接触面通过设置和消除虚拟过盈配合的方法来建模，解决了接触问题收敛性差的问题，并且能准确的获得C/SiC的接触面的应力场与位移场。
Description
技术领域
本发明属于热强度计算技术领域，具体涉及一种C/SiC舵面热强度计算方法。
背景技术
高速飞行器在使役条件下承受着严酷的气动热载荷，飞行器驻点温度极高，飞行器关键区域(如舵面、端头体等)还必须保持疏导热的气动外形。此类结构空间相对狭小，且面临严酷的载荷环境，因此需要防热承载一体化结构才能满足要求。目前常用的防热承载一体化结构有C/C前缘结构、C/SiC舵面结构、C/SiC头锥结构等。国内C/C结构由于材料本身抗氧化问题还没有得到广泛应用，目前国内临近空间飞行器防热承载一体化结构大部分使用C/SiC材料。
C/SiC舵面主体采用C/SiC复合材料，具有高温承载效果好、轻量化等优势。舵轴一般采用金属材料，承受舵面的集中载荷，提高结构可靠性。由于金属的线膨胀系数是C/SiC的十余倍，为了避免高温条件下舵面与舵轴间出现热变形不匹配导致的热应力，二者接触面需设置变形协调量。同样，在进行热强度计算的过程中，为了避免通过将舵面和舵轴绑定在一起出现的虚假热应力，需在计算过程中将二者设置接触关系，以模拟在热变形过程中舵面与舵轴间通过滑动达到变形协调的情况。现有技术中，对接触问题的处理方法为：定义接触对、设置接触属性后即开展计算，这样处理接触问题的收敛性较差，往往由于不收敛导致计算失败。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种C/SiC舵面热强度计算方法。本发明方案能够解决上述现有技术中存在的问题。
本发明的技术解决方案：
一种C/SiC舵面热强度计算方法，通过以下步骤实现：
步骤一，对C/SiC舵面建模，其中对C/SiC的接触面通过设置和消除虚拟过盈配合的方法来建模；
步骤二，对建立的C/SiC舵面模型进行剩余强度系数计算；
步骤三，通过对步骤二得到的剩余强度系数的处理，判断C/SiC舵面的热强度。
进一步的，所述的接触面包括C/SiC舵面主体和金属舵轴的所有连接面。
进一步的，所述的步骤一中，C/SiC的接触面的建模方法为：
S1.1设置增加虚拟过盈配合计算步和舵面初始时刻温度场，
S1.2在C/SiC的接触面上设置虚拟过盈配合-Δ，在S1.1的状态下，利用增加虚拟过盈配合计算步，建立接触面间稳定的接触关系；
S1.3设置消除虚拟过盈配合计算步和舵面计算时刻的温度场；
S1.4在C/SiC的接触面上设置虚拟过盈配合Δ，在S1.3的状态下，利用消除虚拟过盈配合计算步，计算此时的应力场与位移场。
进一步的，所述的虚拟过盈配合Δ的取值大于接触面之间的最大间隙，同时小于接触面上的单元最小厚度。
进一步的，所述的步骤二中的剩余强度系数计算方法为：
S2.1利用步骤一中的C/SiC舵面模型、步骤S 1.1和S1.3中设置的温度场，计算得到各个温度下C/SiC舵面的应力；
S2.2利用步骤一中的C/SiC舵面模型、步骤S 1.1和S1.3中设置的温度场，计算得到步骤2.1中对应温度下的C/SiC舵面的材料强度；
S2.3利用S2.1和S2.2对应温度的应力值和材料强度值，得到不同高斯积分点的剩余强度系数。
本发明与现有技术相比的有益效果：
(1)本发明在C/SiC的接触面通过设置和消除虚拟过盈配合的方法来建模，解决了接触问题收敛性差的问题，并且能准确的获得C/SiC的接触面的应力场与位移场；
(2)本发明通过C/SiC的接触面应力场与位移场的准确计算，可以有效提高接触计算的收敛性，降低由于不收敛导致计算失败的次数，节约计算时间；
(3)本发明通过C/SiC的接触面应力场与位移场的准确计算，提高接触计算的精确性，提高了C/SiC舵面热强度计算的精确度。
附图说明
所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了根据本发明实施例提供的一种C/SiC舵面热强度计算方法步骤示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
如图1所示，根据本发明实施例提供一种C/SiC舵面热强度计算方法，通过以下步骤实现：
步骤一，对C/SiC舵面建模，在一个实施例中，通过Abaqus建立C/SiC舵面热强度分析的有限元模型，为了保证后续接触计算的收敛，该有限元模型为一阶单元模型，为了保证应力计算的精度，C/SiC舵面有限元模型的蒙皮、筋条、舵轴等至少保证具有4层以上实体单元。
其中对C/SiC舵面的接触面通过设置和消除虚拟过盈配合的方法来建模，接触面包括C/SiC舵面主体和金属舵轴的所有连接面；
进一步的在一个实施例中，C/SiC舵面接触面的建模方法为：
S1.1设置增加虚拟过盈配合计算步step-1和舵面初始时刻温度场，
S1.2在C/SiC的接触面上设置虚拟过盈配合-Δ，在S1.1的状态下，利用增加虚拟过盈配合计算步step-1，建立接触面间稳定的接触关系；在一个实施例中，虚拟过盈配合-Δ的取值范围为大于接触面之间的最大间隙，同时小于接触面上的单元最小厚度；
S1.3设置消除虚拟过盈配合计算步step-2和舵面计算时刻的温度场，在一个实施例中，step-1和step-2根据需要选取；
S1.4在C/SiC的接触面上设置虚拟过盈配合Δ，在S1.3的状态下，利用消除虚拟过盈配合计算步step-2，计算此时的应力场与位移场；通过此步骤的计算，获得设置虚拟过盈配合Δ状态下的应力场和位移场。由于设置的虚拟过盈配合Δ与步骤1.2中的-Δ绝对值相同但符号相反，因此，消除了接触面上的各单元由于虚拟间虚拟过盈配合-Δ造成的虚假应力场和位移场，同时又保留了稳定的接触关系。
按照上述步骤进行计算设置，既能有效提高接触计算的收敛性，又能消除由于虚拟过盈配合造成的虚假应力场和位移场，得到准确的强度计算结果。
步骤二，对建立的C/SiC舵面模型进行剩余强度系数计算；
S2.1利用步骤一中的C/SiC舵面模型、步骤S 1.1和S1.3中设置的温度场，并合理设置计算模型的边界条件和材料参数等，利用Abaqus计算得到C/SiC舵面的应力；
S2.2利用步骤一中的C/SiC舵面模型、步骤S 1.1和S1.3中设置的温度场，利用Abaqus自带的子程序GETVRM获取计算过程中的温度数据，根据已有的不同温度条件下的材料强度性能，线性插值得到计算步骤2.1温度对应的C/SiC舵面材料强度值；
S2.3利用S2.1和S2.2对应温度的应力值和材料强度值和Abaqus自带的子程序UVARM建立剩余强度系数变量，通过对比各应力积分点的应力值与对应温度下的强度值，得到不同积分点的剩余强度系数。
步骤三，通过对步骤二得到的剩余强度系数输出后，获得剩余强度系数分布云图，通过此图的观察即可判断C/SiC舵面的热强度。
综上，本发明的C/SiC舵面的热强度计算方法相对与现有技术至少具备以下优点：
(1)本发明在C/SiC的接触面通过设置和消除虚拟过盈配合的方法来建模，解决了接触问题收敛性差的问题，并且能准确的获得C/SiC的接触面的应力场与位移场；
(2)本发明通过C/SiC的接触面应力场与位移场的准确计算，可以有效提高接触计算的收敛性，降低由于不收敛导致计算失败的次数，节约计算时间；
(3)本发明通过C/SiC的接触面应力场与位移场的准确计算，提高接触计算的精确性，提高了C/SiC舵面热强度计算的精确度。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种C/SiC舵面热强度计算方法，其特征在于，通过以下步骤实现：
步骤一，对C/SiC舵面建模，其中对C/SiC的接触面通过设置和消除虚拟过盈配合的方法来建模；
所述的步骤一中，C/SiC的接触面的建模方法为：
S1.1设置增加虚拟过盈配合计算步和舵面初始时刻温度场，
S1.2在C/SiC的接触面上设置虚拟过盈配合-Δ，在S1.1的状态下，利用增加虚拟过盈配合计算步，建立接触面间稳定的接触关系；
S1.3设置消除虚拟过盈配合计算步和舵面计算时刻的温度场；
S1.4在C/SiC的接触面上设置虚拟过盈配合Δ，在S1.3的状态下，利用消除虚拟过盈配合计算步，计算此时的应力场与位移场；
步骤二，对建立的C/SiC舵面模型进行剩余强度系数计算；
步骤三，通过对步骤二得到的剩余强度系数的处理，判断C/SiC舵面的热强度；
所述的步骤二中的剩余强度系数计算方法为：
S2.1利用步骤一中的C/SiC舵面模型、步骤S1.1和S1.3中设置的温度场，计算得到各个温度下C/SiC舵面的应力；
S2.2利用步骤一中的C/SiC舵面模型、步骤S1.1和S1.3中设置的温度场，计算得到步骤2.1中对应温度下的C/SiC舵面的材料强度；
S2.3利用S2.1和S2.2对应温度的应力值和材料强度值，得到不同高斯积分点的剩余强度系数。
2.根据权利要求1所述的C/SiC舵面热强度计算方法，其特征在于，所述的接触面包括C/SiC舵面主体和金属舵轴的所有连接面。
3.根据权利要求2所述的C/SiC舵面热强度计算方法，其特征在于，所述的虚拟过盈配合Δ的取值大于接触面之间的最大间隙，同时小于接触面上的单元最小厚度。
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