CN111723503A - 一种曲面石墨加热器设计方法 - Google Patents

一种曲面石墨加热器设计方法 Download PDF

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Abstract

本申请属于辐射电加热技术领域，特别涉及一种曲面石墨加热器设计方法，所述方法包括：对试验件理想加热曲面进行网格划分，生成包含若干四边形单元或四边形单元与三角形单元共存的有限元模型；进行插值处理，使得每个四边形单元及三角形单元各自对应一个节点平面，获得由三节点组和四节点组组成的共面节点集；在三维处理软件中，生成相邻基准平面的交线，并通过交线，生成三角形、四边形和多边形的石墨片基准设计面；对石墨片基准设计面的边缘进行裁剪，形成石墨加热面，最后根据试验所需的热流载荷输入要求，对每个加热面的石墨片进行发热电路设计。该方法实现了复杂曲面外形结构热强度试验中随形石墨加热器的大热流输出的稳定和可控。

Description

一种曲面石墨加热器设计方法
技术领域
本申请属于辐射电加热技术领域，特别涉及一种曲面石墨加热器设计方法。
背景技术
当飞行器以极高的速度在大气层中飞行时，机体结构将要承受严酷的气动加热载荷，为了在首飞前对结构在这种极端环境下的性能进行验证和确认，高超声速飞行器和轨道再入飞行器都需要进行地面验证试验。在这种试验中，热环境的模拟需要热输出能力强而且可以进行精准控制的加热器来实现。目前，广泛采用的石英灯加热器最大热输出能力约为1200kW/m2，结构最高温度约为1500℃。对于头锥和前缘部位来说，由于所需的热流密度很大，石英灯的热输出能力相对不足。特别是对于具有复杂双曲率曲面外形的头锥结构来说，石英灯灯管较长，灯头部位存在较长的加热盲区，因此无法拼接成复杂曲面的随形加热器。
石墨是一种广泛应用于冶金、化工和晶体制造领域的加热元件，通电后能模拟2000℃的高温环境。与石英灯相比，石墨加热器的热输出能力较强，且可按需进行灵活设计，成型工艺相对简单，可以加工成三角形、四边形和多边形等多种形状，进而拼成曲面随形加热器。目前，国内尚没有将石墨加热器应用在复杂曲面外形结构地面热强度验证中的报道，资料中NASA Johson Center在航天飞机的鼻锥试验中采用了随形石墨加热器，但资料中相关图片不够清晰，看不清随形加热器的组成，也缺乏随形石墨加热器的设计和实施方法。
发明内容
为了解决上述技术问题至少之一，本申请提供了一种曲面石墨加热器设计方法，包括：
获取试验件的理想加热曲面，所述理想加热曲面是指通过CATIA软件的曲面偏置功能对试验件分区后的曲面向外偏置后获得的曲面；
对所述理想加热曲面进行网格划分，生成包含若干四边形单元或四边形单元与三角形单元共存的有限元模型；
对所述有限元模型的数据进行插值处理，使得每个四边形单元及三角形单元各自对应一个节点平面，获得由三节点组和四节点组组成的共面节点集，即所述共面节点集中包括多组共面节点，每组共面节点中包含三个或四个节点；
在三维处理软件中，生成相邻基准平面的交线，并通过交线，生成三角形、四边形和多边形的石墨片基准设计面；
对所述石墨片基准设计面的边缘进行裁剪，形成石墨加热面，所述裁剪时相邻加热面之间的距离大于预定间隔，根据试验所需的热流载荷输入要求，对每个加热面的石墨片进行发热电路设计，形成曲面石墨加热器。
优选的是，所述理想曲面为试验件分区后的曲面向外偏置90mm后获得的曲面。
优选的是，进行网格划分的标准为：
通过网格划分时，各单元尺寸200mm，最大几何偏移30mm时，则单元种类为四边形，若全部采用四边形单元无法完成网格划分，则将单元种类改为四边形主导的四边形与三角形混合方式，完成网格划分。
优选的是，采用有限元前处理工具ANSA或者Hypermesh进行理想加热曲面网格划分。
优选的是，所述插值处理包括：
对四个顶点不在同一个平面的四边形单元，采用插值方法获得四边形单元的共面拟合节点坐标，该四边形单元对应于该共面拟合节点坐标所在的节点平面；
对三角形单元，以及四个顶点在同一个平面的四边形单元，该三角形单元及四边形单元对应于其所在的平面。
优选的是，形成石墨片基准设计面之后进一步包括：
将石墨片基准设计面外偏置55mm，生成水冷反射板设计基准面，以增加水冷反射板冷却回路。
优选的是，所述预定间隔为6mm。
优选的是，形成石墨加热面后，相邻加热面的石墨片之间出现尖锐角相对的情况时，对尖锐角进行导圆处理。
优选的是，生成石墨片基准设计面包括：
在CATIA软件中，用由点构建曲面的方法，为每组共面节点构建曲面，按照有限元模型中的单元相邻关系，使用CATIA曲面相交功能，生成相邻平面的交线集，并通过交线，生成由三角形、四边形和多边形的石墨片基准设计面。
优选的是，对每个加热面的石墨片进行发热电路设计时，对同一个热流分区的石墨片，其的发热电路宽度设计为相同。
本申请可以利用计算机自动计算加载点的最优选取方案，从而实现自动布局，减少人工干预因素，提高效率，实现自动化。
本申请解决了复杂曲面外形结构热强度试验中随形石墨加热器的设计问题，可以实现大热流输出的稳定和可控，在复杂双曲率曲面外形结构的热试验中具有很强的应用价值。
附图说明
图1是本申请曲面石墨加热器设计方法的流程图。
图2是本申请曲面石墨加热器构造图。
其中，1为石墨发热元件，2为水冷反射板，3为电极和绝缘材料。
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。
本申请曲面石墨加热器设计方法，如图1所示，主要包括：
步骤S1、获取试验件的理想加热曲面，所述理想加热曲面是指通过CATIA软件的曲面偏置功能对试验件分区后的曲面向外偏置后获得的曲面；
步骤S2、对所述理想加热曲面进行网格划分，生成包含若干四边形单元或四边形单元与三角形单元共存的有限元模型；
步骤S3、对所述有限元模型的数据进行插值处理，使得每个四边形单元及三角形单元各自对应一个节点平面，获得由三节点组和四节点组组成的共面节点集，即所述共面节点集中包括多组共面节点，每组共面节点中包含三个或四个节点；
步骤S4、在三维处理软件中，生成相邻基准平面的交线，并通过交线，生成三角形、四边形和多边形的石墨片基准设计面；
步骤S5、对所述石墨片基准设计面的边缘进行裁剪，形成石墨加热面，所述裁剪时相邻加热面之间的距离大于预定间隔，根据试验所需的热流载荷输入要求，对每个加热面的石墨片进行发热电路设计，形成曲面石墨加热器。
本申请步骤S1中，首先将试验件外形曲面导入CATIA，按照试验件表面热流载荷的分区边界，对试验件曲面外形进行分区，之后采用CATIA软件的曲面偏置功能，对分区后的曲面向外偏置90mm，生成试验件的理想加热曲面。
在一些可选实施方式中，进行网格划分的标准为：
通过网格划分时，各单元尺寸200mm，最大几何偏移30mm时，则单元种类为四边形，若全部采用四边形单元无法完成网格划分，则将单元种类改为四边形主导的四边形与三角形混合方式，完成网格划分。
为了减少电路设计和电极布置的难度，在单元的几何偏离量合适的前提条件下，优先采用四边形单元，若单元种类四边形。若纯四边形单元无法完成分网，将单元种类改为四边形主导的四边形与三角形混合方式，完成网格划分。例如一个具体实施例中，对理想基准曲面进行离散后，得到了16个四边形单元，3个三角形单元。
在一些可选实施方式中，采用有限元前处理工具ANSA或者Hypermesh进行理想加热曲面网格划分。
在一些可选实施方式中，所述插值处理包括：
对四个顶点不在同一个平面的四边形单元，采用插值方法获得四边形单元的共面拟合节点坐标，该四边形单元对应于该共面拟合节点坐标所在的节点平面；
对三角形单元，以及四个顶点在同一个平面的四边形单元，该三角形单元及四边形单元对应于其所在的平面。
用ANSA输出NASTRAN格式的有限元模型，对数据进行分析和插值。四边形单元可能出现四个节点不在同一个平面的情况，这四个节点无法用来构建石墨发热片平面。为了克服这个问题，采用最小二乘插值方法，提取每个四边形单元的节点坐标，编写MATLAB最小二乘法插值代码，得到四边形单元的共面拟合节点坐标。图三的示例中，获得了由三节点组（3个）和四节点组（16个）组成的共面节点集，对每个共面节点组依次编号，并将编号与有限元模型中的单元编号对应。
在一些可选实施方式中，生成石墨片基准设计面包括：
在CATIA软件中，用由点构建曲面的方法，为每组共面节点构建曲面，按照有限元模型中的单元相邻关系，使用CATIA曲面相交功能，生成相邻平面的交线集，并通过交线，生成由三角形、四边形和多边形的石墨片基准设计面。例如共生成了1个三角形基准设计面，三个四边形基准设计面，15个多边形基准设计面。
在一些可选实施方式中，形成石墨片基准设计面之后进一步包括：
步骤S6、将石墨片基准设计面外偏置55mm，生成水冷反射板设计基准面，水冷反射板上预留电极安装通道，并在此基础上开展水冷反射板的冷却回路设计。
如图2所示，加热器由发热元件、水冷反射板及电极和绝缘材料构成，其中发热元件由三角形、四边形和多边形等平面石墨发热片拼构成复杂随形曲面，石墨发热片安装于水冷反射板上，水冷反射板是由含有冷却通路并且与石墨发热片平行的多块铝板拼接而成。
图2中，1为石墨发热元件，水冷反射板2相对于石墨发热元件向外偏置55mm，并水冷反射板上预留电极安装通道，以安装电极和绝缘材料3。
本申请在步骤S5中，根据试验所需的热流载荷输入要求，对每个加热面进行发热电路设计。为了确保同一个热流分区的石墨片具有同样的热流密度输出，相同分区石墨片的发热电路宽度相同，为了防止相邻石墨发热片之间产生放电引起短路断路问题，相邻石墨发热片之间保留适当间隔（大于6mm），当相邻石墨片出现尖锐角相对的情况时，对尖锐角进行导圆。
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 (10)

1.一种曲面石墨加热器设计方法，其特征在于，包括：
获取试验件的理想加热曲面，所述理想加热曲面是指通过CATIA软件的曲面偏置功能对试验件分区后的曲面向外偏置后获得的曲面；
对所述理想加热曲面进行网格划分，生成包含若干四边形单元或四边形单元与三角形单元共存的有限元模型；
对所述有限元模型的数据进行插值处理，使得每个四边形单元及三角形单元各自对应一个节点平面，获得由三节点组和四节点组组成的共面节点集，即所述共面节点集中包括多组共面节点，每组共面节点中包含三个或四个节点；
在三维处理软件中，生成相邻基准平面的交线，并通过交线，生成三角形、四边形和多边形的石墨片基准设计面；
对所述石墨片基准设计面的边缘进行裁剪，形成石墨加热面，所述裁剪时相邻加热面之间的距离大于预定间隔，根据试验所需的热流载荷输入要求，对每个加热面的石墨片进行发热电路设计，形成曲面石墨加热器。
2.如权利要求1所述的曲面石墨加热器设计方法，其特征在于，所述理想曲面为试验件分区后的曲面向外偏置90mm后获得的曲面。
3.如权利要求1所述的曲面石墨加热器设计方法，其特征在于，进行网格划分的标准为：
通过网格划分时，各单元尺寸200mm，最大几何偏移30mm时，则单元种类为四边形，若全部采用四边形单元无法完成网格划分，则将单元种类改为四边形主导的四边形与三角形混合方式，完成网格划分。
4.如权利要求1所述的曲面石墨加热器设计方法，其特征在于，采用有限元前处理工具ANSA或者Hypermesh进行理想加热曲面网格划分。
5.如权利要求1所述的曲面石墨加热器设计方法，其特征在于，所述插值处理包括：
对四个顶点不在同一个平面的四边形单元，采用插值方法获得四边形单元的共面拟合节点坐标，该四边形单元对应于该共面拟合节点坐标所在的节点平面；
对三角形单元，以及四个顶点在同一个平面的四边形单元，该三角形单元及四边形单元对应于其所在的平面。
6.如权利要求5所述的曲面石墨加热器设计方法，其特征在于，形成石墨片基准设计面之后进一步包括：
将石墨片基准设计面外偏置55mm，生成水冷反射板设计基准面，以增加水冷反射板冷却回路。
7.如权利要求1所述的曲面石墨加热器设计方法，其特征在于，所述预定间隔为6mm。
8.如权利要求1所述的曲面石墨加热器设计方法，其特征在于，形成石墨加热面后，相邻加热面的石墨片之间出现尖锐角相对的情况时，对尖锐角进行导圆处理。
9.如权利要求1所述的曲面石墨加热器设计方法，其特征在于，生成石墨片基准设计面包括：
在CATIA软件中，用由点构建曲面的方法，为每组共面节点构建曲面，按照有限元模型中的单元相邻关系，使用CATIA曲面相交功能，生成相邻平面的交线集，并通过交线，生成由三角形、四边形和多边形的石墨片基准设计面。
10.如权利要求1所述的曲面石墨加热器设计方法，其特征在于，对每个加热面的石墨片进行发热电路设计时，对同一个热流分区的石墨片，其的发热电路宽度设计为相同。
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