CN111723502B - 一种石墨发热片设计方法 - Google Patents

Abstract

本申请属于辐射电加热技术领域，特别涉及一种石墨发热片设计方法，所述方法包括：首先确定了石墨发热片的厚度参数和石墨发热片的缝隙宽度参数，然后通过理论计算给出石墨发热条的宽度参数，再通过电热耦合有限元仿真模拟，对石墨片表面的温度均匀性进行分析。在此基础上，以增加石墨发热片温度均匀性为目标，调整和确定石墨发热片的其它结构设计参数。该设计方法包含了石墨发热片通电后的发热机理研究，能够在满足石墨发热片总体热输出要求的条件下，降低冷区面积，提高发热效率，在石墨发热片的设计中具有很强的应用价值。

Description

一种石墨发热片设计方法

技术领域

本申请属于辐射电加热技术领域，特别涉及一种石墨发热片设计方法。

背景技术

在高超声速飞行器和轨道再入飞行器的地面验证试验中，需要使用加热器给机体结构输入热流模拟其承受的气动加热载荷。当飞行器速度较高时，气动加热效应很强，热载荷的热流密度很大。这需要加热器具备很强的热输出能力，同时，加热器的热沉足够小，能够对控制指令做出迅速响应。为了实现对飞行器前缘和头锥等曲率变化较大而且热流密度较大的关键部位的加热，还需要加热器能够组合成复杂的曲面形状。

石墨是一种广泛应用于冶金、化工和晶体制造等领域的加热元件，通电后能产生高达2000℃的高温环境，能够满足高速飞行器热试验的要求。

发明内容

为了解决上述技术问题至少之一，本申请提供了一种石墨发热片设计方法，包括：

获取石墨发热片的厚度参数及石墨发热片内各发热条的缝隙宽度参数；

根据石墨片的热流输出需要估算石墨发热片内各发热条宽度的初值；

建立关于发热条宽度的参数化石墨发热片几何数模和有限元模型，进行电热耦合有限元仿真模拟，所述电热耦合有限元仿真用于获取最高温度数据T_Max和最低温度数据T_Min来计算温度不平衡参数：T_Min/T_Max；

以所述发热条宽度的取值初值作为发热条宽度的调整下限，以及以石墨片被等宽度发热条完全覆盖为限制条件，调整所述有限元模型中的发热条宽度，直至计算的温度不平衡参数不高于预设值。

优选的是，采用如下公式估算所述石墨发热条宽度的取值初值：

其中，R为石墨发热片的电阻；U为石墨片允许电压；Q为石墨片需要提供的热流输出；λ为石墨片发热效率；K为石墨片安全余量；r为石墨电阻率；S为石墨发热片面积；参数a₁,a₂,a₃分别代表发热条宽度、石墨发热片的缝隙宽度及石墨发热片的厚度。

优选的是，所述石墨发热片的缝隙宽度取2mm，石墨发热片的厚度取4mm。

优选的是，估算所述石墨发热片内各发热条宽度的取值初值之后还包括：

若得到的石墨片发热条初始宽度大于阈值，则对石墨片进行拆分，减小石墨片面积，所述阈值是用于表明石墨片的热输出过高的参数。

优选的是，所述阈值为15mm。

优选的是，进行电热耦合有限元仿真模拟包括：

在有限元仿真分析平台中，给发热电路一端施加100V电压边界条件，另一端施加0V电压边界条件，并在石墨片上下表面施加空间辐射边界条件。

优选的是，所述预设值为15％。

优选的是，建立所述参数化石墨发热片几何数模包括：

对发热片进行预处理，所述预处理包括构建具有平行边的多边形发热片；

以所述发热片的两个平行边为两端，形成自一端至另一端的弯曲延伸的发热条，其中，两个平行边中的较短的一个边为整个发热片的最短边，且该最短边大于20mm。

优选的是，对调整所述有限元模型中的发热条宽度时，计算的温度不平衡参数始终高于预设值，则增加发热片调整参数对发热片进行调整，直至计算的温度不平衡参数不高于预设值，其中，所述增加发热片调整参数包括：

对经过预处理的多边形发热片，增加对发热条的尖角处进行导圆处理的导圆半径参数，以及增加直边拐弯距离参数、直边拐弯半径参数、斜边拐弯长度参数、斜边拐弯终止导圆半径参数、斜边拐弯起始导圆半径参数、斜边拐弯起始距离参数。

优选的是，增加发热片调整参数对发热片进行调整时，各参数的增量步长为0.1mm。

本申请包含了石墨发热片通电后的发热机理研究，能够在满足石墨发热片总体热输出要求的条件下，降低冷区面积，提高发热效率，在石墨发热片的设计中具有很强的应用价值。

附图说明

图1是本申请石墨发热片设计方法的流程图。

图2是本申请初始发热电路布置示意图。

图3为石墨发热片电热偶合仿真分析边界条件施加示意图。

图4为石墨片设计参数示意图。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施方式，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方式，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。

本申请石墨发热片设计方法，如图1所示，主要包括：

步骤S1、获取石墨发热片的厚度参数及石墨发热片内各发热条的缝隙宽度参数；

步骤S2、根据石墨片的热流输出需要估算石墨发热片内各发热条宽度的初值；

步骤S3、建立关于发热条宽度的参数化石墨发热片几何数模和有限元模型，进行电热耦合有限元仿真模拟，所述电热耦合有限元仿真用于获取最高温度数据T_Max和最低温度数据T_Min来计算温度不平衡参数：T_Min/T_Max；

步骤S4、以所述发热条宽度的取值初值作为发热条宽度的调整下限，以及以石墨片被等宽度发热条完全覆盖为限制条件，调整所述有限元模型中的发热条宽度，直至计算的温度不平衡参数不高于预设值。

在一些可选实施方式中，采用如下公式估算所述石墨发热条宽度的取值初值：

上式中，R为石墨发热片电阻，单位为Ω；U为石墨片允许电压单位为V；Q为石墨片需要提供的热流输出，单位为W；λ为石墨片发热效率；K为石墨片安全余量；r为石墨电阻率，单位为Ω·m；S为石墨发热片面积，单位为m2；参数a₁,a₂,a₃分别代表发热条宽度、石墨发热片的缝隙宽度及石墨发热片的厚度。

参考图4，参数a₁,a₂,a₃分别对应于参数[1]、[2]和[10]，为了兼顾石墨片的电阻和刚度，石墨发热片的厚度，即参数[10]取为4mm，墨发热片的缝隙宽度，即参数[2]取为2mm，限制电压由石墨材料的放电特性确定，λ,K分别取0.6和0.8，联立这两个方程可以估算出石墨片发热条初始宽度，计算的时候要注意单位统一。若得到的石墨片发热条初始宽度大于15mm，表明石墨片的热输出过高，需要对石墨片拆分，减小面积，降低单片的热输出要求。

在一些可选实施方式中，步骤S3中，建立所述参数化石墨发热片几何数模包括：

对发热片进行预处理，所述预处理包括构建具有平行边的多边形发热片；

以所述发热片的两个平行边为两端，形成自一端至另一端的弯曲延伸的发热条，其中，两个平行边中的较短的一个边为整个发热片的最短边，且该最短边大于20mm。

参考图2，常见的石墨片形状有三角形、四边形和五边形。对于三角形和没有平行边的五边形石墨片，将最小的锐角切掉，确保新形成的最短边大于20mm，且短边与锐角相对的边平行，石墨片的发热条沿一对平行边布置；对于平行四边形石墨片，发热条沿较短边的方向布置；对于梯形石墨片和具有平行边的五边形石墨片，发热条沿平行边方向布置；对于不存在平行边的四边形石墨片，首先测量两条对边的夹角，然后切掉最小锐角，选对边夹角较小的边生成平行边，沿平行边方向布置发热条。

在一些可选实施方式中，步骤S3中，进行电热耦合有限元仿真模拟包括：

在有限元仿真分析平台中，给发热电路一端施加100V电压边界条件，另一端施加0V电压边界条件，并在石墨片上下表面施加空间辐射边界条件。

该实施例中，如图3所示，建立关于设计参数[1]的参数化石墨发热片几何数模和有限元模型，参数[1]的取值大于等于步骤1中得到的初始值，并保证石墨片被等宽度发热条完全覆盖，在Abaqus有限元仿真分析平台中，给发热电路一端施加100V电压边界条件，另一端施加0V电压边界条件，并在石墨片上下表面施加空间辐射边界条件，如如图2所示，开展电热耦合仿真分析，从仿真结果中提取最高温度数据和最低温度数据计算温度不平衡参数。

以15mm为基准，在[10mm，20mm]之间调整参数[1]，尽可能降低温度不平衡参数η值。需要注意的是，参数[1]的取值下限还应大于步骤S2中得到的初值，调整过程中参数[1]并不是连续变化的，其取值要保证“S”型电路完全覆盖石墨片。

在一些可选实施方式中，步骤S4中，所述预设值为15％，即上述调整过程中，降低温度不平衡参数η值至少要小于等于15％。

对于矩形石墨片，通过步骤3调整参数[1]能达到η≤15％，对于图2所示的异形石墨片，无法通过调整参数[1]来使η≤15％。截取典型石墨片段如图4所示，当角ψ和γ与90°偏离较大时，石墨发热片在两侧拐弯处冷区面积较大，且出现了局部高温。为了改善这个问题，给石墨发热片的设计添加定义参数。为了消除由于尖角可能产生的放电现象，对发热条的尖角处进行导圆处理，增加参数导圆半径[5]。对于ψ或γ在65°～115°之间的直角边，增加直边拐弯距离参数[3]和直边拐弯半径参数[4]，对于ψ或γ在35°～65°之间的斜边，增加斜边拐弯长度参数[6]，斜边拐弯终止和起始导圆半径参数[7]、[8]和斜边拐弯起始距离参数[9]。

步骤S4中，建立有限元模型，开展电热耦合仿真分析，根据结果对设计参数[3]～[9]进行调整和优化，参数[3]取值范围[10mm,17mm]，参数[4]取值范围为[2mm,5mm]，参数[5]取值范围[3mm,7mm]，参数[6]取值范围[15mm,20mm]，参数[7]取值范围[0.3mm,0.7mm]，参数[8]取值为[1.8mm,2.2mm]，参数[9]取值范围[10mm,17mm]。各参数初值为其取值下限，调整方式为增量步长0.1mm，直至满足η≤15％要求。在这一环节中，设计变量[3]～[9]的取值是连续变化的，也可以通过数值优化的方式，确定最佳参数组合。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种石墨发热片设计方法，其特征在于，包括：

获取石墨发热片的厚度参数及石墨发热片内各发热条的缝隙宽度参数；

根据石墨片的热流输出需要估算石墨发热片内各发热条宽度的初值；

建立关于发热条宽度的参数化石墨发热片几何数模和有限元模型，进行电热耦合有限元仿真模拟，所述电热耦合有限元仿真用于获取最高温度数据T_Max和最低温度数据T_Min来计算温度不平衡参数：T_Min/T_Max；

以所述发热条宽度的取值初值作为发热条宽度的调整下限，以及以石墨片被等宽度发热条完全覆盖为限制条件，调整所述有限元模型中的发热条宽度，直至计算的温度不平衡参数不高于预设值；

其中，建立所述参数化石墨发热片几何数模包括：

对发热片进行预处理，所述预处理包括构建具有平行边的多边形发热片；

以所述发热片的两个平行边为两端，形成自一端至另一端的弯曲延伸的发热条，其中，两个平行边中的较短的一个边为整个发热片的最短边，且该最短边大于20mm。

2.如权利要求1所述的石墨发热片设计方法，其特征在于，采用如下公式估算所述石墨发热条宽度的取值初值：

其中，R为石墨发热片的电阻；U为石墨片允许电压；Q为石墨片需要提供的热流输出；λ为石墨片发热效率；K为石墨片安全余量；r为石墨电阻率；S为石墨发热片面积；参数a₁,a₂,a₃分别代表发热条宽度、石墨发热片的缝隙宽度及石墨发热片的厚度。

3.如权利要求2所述的石墨发热片设计方法，其特征在于，所述石墨发热片的缝隙宽度取2mm，石墨发热片的厚度取4mm。

4.如权利要求1所述的石墨发热片设计方法，其特征在于，估算所述石墨发热片内各发热条宽度的取值初值之后还包括：

若得到的石墨片发热条初始宽度大于阈值，则对石墨片进行拆分，减小石墨片面积，所述阈值是用于表明石墨片的热输出过高的参数。

5.如权利要求4所述的石墨发热片设计方法，其特征在于，所述阈值为15mm。

6.如权利要求1所述的石墨发热片设计方法，其特征在于，进行电热耦合有限元仿真模拟包括：

在有限元仿真分析平台中，给发热电路一端施加100V电压边界条件，另一端施加0V电压边界条件，并在石墨片上下表面施加空间辐射边界条件。

7.如权利要求1所述的石墨发热片设计方法，其特征在于，所述预设值为15％。

8.如权利要求1所述的石墨发热片设计方法，其特征在于，对调整所述有限元模型中的发热条宽度时，计算的温度不平衡参数始终高于预设值，则增加发热片调整参数对发热片进行调整，直至计算的温度不平衡参数不高于预设值，其中，所述增加发热片调整参数包括：

对经过预处理的多边形发热片，增加对发热条的尖角处进行导圆处理的导圆半径参数，以及增加直边拐弯距离参数、直边拐弯半径参数、斜边拐弯长度参数、斜边拐弯终止导圆半径参数、斜边拐弯起始导圆半径参数、斜边拐弯起始距离参数。

9.如权利要求8所述的石墨发热片设计方法，其特征在于，增加发热片调整参数对发热片进行调整时，各参数的增量步长为0.1mm。

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