背景技术
飞行器在高速飞行时面临着非常严酷的热环境,严酷的热环境对飞行器的结构、舱内电子设备带来了严峻的考验。在工程实践中,通过开展地面热试验模拟天上飞行热环境,检验高速飞行器结构热防护及热匹配性能设计是否满足使用要求、检验电子设备是否能够正常工作。结构热试验常采用石英灯管作为发热体进行辐射加热。石英灯的热惯性小,便于电气控制,非常适应气动加热的瞬变特点。同时体积小,功率密度大,可以拼装成不同尺寸和形状的加热器,它既适用于大型全尺寸结构热试验,也适用小型试验,对于外形及结构复杂的试验件,有较好的适应能力,可以满足大部分结构热试验要求。
在进行热试验时,由于大部分的试验件不能够进行重复加热,因此在正式试验之前只能进行有限次的较低温度的试验调试。然而,在加热条件下材料的物性参数及状态会发生变化,也可能造成试验件的破坏。因此,为了保障试验顺利完成,可通过石英灯辐射加热虚拟试验方法,提前对物理试验进行预估,对热环境地面模拟试验起到预示和指导的作用。
石英灯辐射加热试验的加热过程是受加热系统反馈控制的,且试验系统通常包括多组石英灯,各组石英灯独立控制。传统的石英灯辐射加热仿真通常仅对辐射加热进行仿真计算,很少考虑真实的反馈控制过程,导致虚拟试验不能准确的反馈真实的加热情况。
发明内容
鉴于以上分析,本发明旨在提供一种石英灯辐射加热虚拟试验方法,用以解决现有的加热虚拟试验不能准确的反馈真实的加热情况的问题。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的:
一种石英灯辐射加热虚拟试验方法,包括以下步骤:
步骤1:建立加热控制系统的仿真模型;
步骤2:建立试验件加热计算的仿真模型;
步骤3:建立Matlab和Abaqus的实时数据交换;
步骤4:对试验件进行热环境试验。
进一步地,步骤1中,加热控制系统的仿真在Matlab中实现,使用Matlab\Simulink搭建加热控制系统的仿真模型。
进一步地,加热控制系统的仿真模型的输入包括试验件表面期望温度、控制参数以及Abaqus实时计算的试验件表面温度。
进一步地,加热控制系统的仿真模型的输出为加热器功率。
进一步地,步骤4中,具体包括以下步骤:
步骤4.1:在Abaqus中输入加热器电阻;
步骤4.2:建立石英灯灯组和试验件的试验模型,生成Abaqus计算主文件;
步骤4.3:在Matlab中进行热环境试验系统辨识;
步骤4.4:选择控制类型;
步骤4.5:导入期望的试验件表面温度,设定虚拟试验时间,开始仿真计算。
进一步地,步骤4.2中,建立石英灯灯组模型时,根据灯丝长度和宽度用平面传热壳单元DS4建立模型,按照试验位置摆放。
进一步地,步骤4.2中,建立试验件模型时,根据试验件实际几何结构用平面传热壳单元DS4建立网格模型,每个被加温区取一个控制点监测其温度。
进一步地,步骤4.3中,辨识得到系统的传递函数,所需数据为已有数据或Abaqus计算得到的数据,输入数据为加热器功率,输出数据为试验件表面温度。
一种钛合金平板的石英灯辐射加热虚拟试验方法,使用上述技术方案所述的试验方法,包括稳态试验和瞬态试验。
进一步地,瞬态试验中,设定一组期望温度,使用PI反馈控制实时调节加热器的功率,实现对试验件表面温度的控制。
本发明至少可实现如下有益效果之一:
(1)本发明的石英灯辐射加热虚拟试验方法,利用计算机仿真技术对试验件热试验的加热器设计、控制系统参数设计进行虚拟调试,可预估结构表面的热响应参数,控制输入输出条件的吻合情况,保障热试验顺利完成。
(2)本发明的石英灯辐射加热虚拟试验方法,对热环境地面模拟试验具有预示和指导的作用,能够降低试验成本,缩短试验周期,同时还可以实现超出现有热环境地面模拟能力的热环境模拟,为产品的研制提供依据,从而加快产品研制进度、提高产品质量、降低研制成本。
本发明中,上述各技术方案之间还可以相互组合,以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述,并且,部分优点可从说明书中变得显而易见,或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的,而并不认为是对本发明的限制,在整个附图中,相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明实施例控制算法接口流程图;
图2为本发明实施例Matlab和Abaqus的并行协同仿真实现方法的流程图;
图3为本发明实施例的钛合金平板辐射试验传感器位置布置示意图;
图4为本发明实施例的稳态试验调试后的模型的温度响应曲线与试验的对比示意图;
图5为本发明实施例的PI控制仿真示意图;
图6为本发明实施例的仿真与试验的控制电压对比示意图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例,其中,附图构成本发明一部分,并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理,并非用于限定本发明的范围。
在本发明实施例的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“相连”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接或一体地连接,可以是机械连接,也可以是电连接,可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
全文中描述使用的术语“顶部”、“底部”、“在……上方”、“下”和“在……上”是相对于装置的部件的相对位置,例如装置内部的顶部和底部衬底的相对位置。可以理解的是装置是多功能的,与它们在空间中的方位无关。
实施例1
本发明的一个实施例,公开了一种石英灯辐射加热虚拟试验方法,利用计算机仿真技术对飞行器全机或部件热试验的加热器设计、控制系统参数设计进行虚拟调试,能够预估结构表面的热响应参数,控制输入输出条件的吻合情况,保障热试验顺利完成。具体包括以下步骤:
步骤1:建立加热控制系统的仿真模型:
本实施例中,加热控制系统的仿真在Matlab中实现,使用Matlab\Simulink搭建加热控制系统的仿真模型。
本实施例中,加热控制系统的仿真模型的输入包括试验件表面期望温度、控制参数以及Abaqus实时计算的试验件表面温度。加热控制系统的仿真模型的输出为加热器功率,如图1示。
本实施例中,控制模型包括PID控制、模糊控制或模糊自适应PID控制。
其中,PID控制参数包括:P-比例增益;I-积分增益;D-微分增益;模糊控制参数包括:误差系数、误差变化率系数和输出系数;模糊自适应PID控制是通过模糊控制调整PID的控制参数,因此其控制参数同时包含PID控制参数以及模糊控制参数。
本实施例中,PID控制基于选择的控制类型需要设置其中的一个或多个:
P控制:只需要输入比例控制参数P;
PI控制:需要输入比例控制参数P和积分控制参数I;
PID控制:需要输入比例控制参数P,积分控制参数I,微分控制参数D。
步骤2:建立试验件加热计算的仿真模型:
试验件加热计算的仿真模型包括石英灯加热系统的时变热源加载及试验件的热响应过程,试验件加热计算的仿真在有限元软件Abaqus中完成,石英灯功率来自步骤1中Matlab输出的加热器功率信号,通过Abaqus子程序将其转化为石英灯温度,在Abaqus中建立空腔辐射模型,同时考虑自然对流换热,计算试验件表面的温度,将响应点的温度通过子程序写入外部共享文件,供Matlab控制模块调用。
步骤3:建立Matlab和Abaqus的实时数据交换:
构建Matlab和Abaqus相结合的系统仿真环境,使用并行的方式实现二者的实时数据传递。并行式系统仿真包括多个共享数据文件,共享数据文件中包括需要相互传递的数据和控制访问数据文件的相关标志位。通过标志位来控制Matlab\Simulink和Abaqus对需要传递数据的交替访问。对共享数据文件的访问,Abaqus通过子程序uampj实现,Matlab\Simulink通过S函数实现。共设置4个标志位,标志位取0或1,其不同组合执行的操作见图2示。Matlab和Abaqus读取标志位文件,根据标志位信息执行相应的操作。
步骤4:对试验件进行热环境试验:
在Matlab和Abaqus中建立好仿真模型后,针对需要试验的试验件,在仿真模型中设置相应的参数,进行正式的热环境试验,具体包括以下步骤:
步骤4.1:在Abaqus中输入加热器电阻;
步骤4.2:建立石英灯灯组和试验件的试验模型,生成Abaqus计算主文件;
建立石英灯灯组模型时,根据灯丝长度和宽度用平面传热壳单元DS4建立模型,按照试验位置摆放。每个灯组的单元和节点建立一个集合,所有灯组的单元和节点建立一个集合。
为了方便程序快速处理,石英灯灯组集合名称按照约定的方式定义。热载荷点温度由控制程序给出电功率,通过有限元实时传递数据子程序(UAMPJ)转化为节点温度传递给有限元程序计算试验区温度。
建立试验件模型时,根据试验件实际几何结构用平面传热壳单元DS4建立网格模型,每个被加温区取一个控制点监测其温度。
为了方便程序快速处理,试验件集合名称按照约定的方式定义。试验件每个监测温度响应点序号和灯组加热区序号保持一致,例如ThermalResponseN003主要由第三加热区给其加热,其余类推。
建立属性卡片,为试验件表面指定单元厚度以及材料。
建立材料卡片,指定材料的比热、密度和导热系数;
步骤4.3:在Matlab中进行热环境试验系统辨识,辨识得到系统的传递函数,所需数据可以是已有数据或Abaqus计算得到的数据,具体输入数据为加热器功率,输出数据为试验件表面温度;
步骤4.4:选择控制类型,若为PID相关控制,可根据步骤5.3得到的系统传递函数生成PID控制参数;
控制类型选择逻辑:
对于基本线性的系统使用PID控制或模糊自适应PID控制,对于非线性系统使用模糊控制。具体到石英灯辐射加热系统,如果是多区域分区加热,若加热区明显受到非本加热区石英灯的影响,可能引入较强的非线性,优先选择模糊控制或模糊自适应PID控制,若加热区基本不受非本加热区石英灯的影响,优先选择PID控制。对于事前无法确认加热区是否明显受到非本加热区石英灯的影响,可先使用PID控制(控制精度最高),就实际控制效果,确认是否切换模糊控制或者模糊自适应PID控制。
步骤4.5:导入期望的试验件表面温度,设定虚拟试验时间,开始仿真计算。计算过程中可实时显示机身温度曲线,期望温度曲线和加热器功率曲线。
本发明提供的一种石英灯辐射加热虚拟试验方法,通过Matlab\Simulink与Abaqus协同仿真的方案以实现石英灯热环境虚拟试验。加热控制系统的仿真在Matlab中实现,使用Matlab\Simulink搭建加热控制系统的仿真模型,加热控制系统的仿真模型的输入包括机身表面期望温度、控制参数以及Abaqus实时计算的机身表面温度;石英灯加热系统的时变热源加载及试验件的热响应过程在有限元软件Abaqus中完成,石英灯功率来自Matlab输出的的加热器功率信号,通过Abaqus子程序将其转化为石英灯温度,在Abaqus中建立空腔辐射模型,同时考虑自然对流换热,计算试验件表面的温度,将响应点的温度通过子程序写入外部共享文件,供Matlab控制模块调用;Matlab和Abaqus相结合的系统仿真环境,使用并行的方式实现二者的实时数据传递。
本发明的石英灯辐射加热虚拟试验方法,利用计算机仿真技术对试验件热试验的加热器设计、控制系统参数设计进行虚拟调试,可预估结构表面的热响应参数,控制输入输出条件的吻合情况,保障热试验顺利完成。该发明对热环境地面模拟试验具有预示和指导的作用,能够降低试验成本,缩短试验周期,同时还可以实现超出现有热环境地面模拟能力的热环境模拟,为型号的研制提供依据,从而加快型号研制进度、提高型号产品质量、降低型号研制成本。
实施例2
本发明的一个具体实施例,公开了一个钛合金板的石英灯辐射加热虚拟试验方法,采用实施例1的石英灯辐射加热虚拟试验方法。
具体地,试验采用一组石英灯对钛合金平板进行加热,钛合金平板上共安装9个温度传感器,如图3所示。分别进行两组试验:稳态试验和瞬态试验。
(1)稳态试验
保持加热器功率基本不变,观测钛合金板上的温度响应。使用稳态试验的结果来调试模型,主要调整表面辐射系数和对流换热系数。稳态计算使用加热器功率4600瓦,电阻4.55欧姆,通过调整辐射发射率和对流换热系数,使计算温度与试验温度能够较好的吻合,如图4所示。
稳态试验具体过程:
步骤1:建立钛合金板和加热器模型,如图3所示;
步骤2:对传热过程进行仿真,加热器功率4600瓦,电阻4.55欧姆。调整辐射发射率和对流换热系数,使计算温度与试验温度能够较好的吻合。
(2)瞬态试验
设定一组钛合金板的期望温度,使用PI反馈控制实时调节加热器的功率,实现对钛合金板表面温度的控制。使用调试后的模型进行闭环PI控制仿真,PI参数与试验一致(P=5,I=40)。仿真显示该控制参数能够很好的控制钛合金板温度,如图5所示,但是仿真得到的控制电压与试验的控制电压有一定的差距,如图6所示,仿真得到的控制电压整体比试验控制电压要高。此误差产生的原因可能是对流换热系数的空间和时间上的变化(仿真中为一常数),另一方面试验测量的电压数据也有较大的误差(+/-10%)。由上可知,对石英灯加热模型进行了试验调试和对比,结果显示尽管结果与试验有一定的误差但是其精度足以用于验证控制参数和加热器设计。
在Matlab和Abaqus中建立好仿真模型后,针对需要试验的试验件,在仿真模型中设置相应的参数,进行正式的热环境试验,具体包括以下步骤:
步骤1:在Abaqus中输入加热器电阻;
步骤2:建立石英灯灯组和试验件的试验模型,生成Abaqus计算主文件;
建立石英灯灯组模型时,根据灯丝长度和宽度用平面传热壳单元DS4建立模型,按照试验位置正确摆放。每个灯组的单元和节点建立一个集合,所有灯组的单元和节点建立一个集合。
热载荷点温度由控制程序给出电功率,通过有限元实时传递数据子程序(UAMPJ)转化为节点温度传递给有限元程序计算试验区温度。
建立试验件模型时,根据试验件实际几何结构用平面传热壳单元DS4建立网格模型,取一个控制点监测其温度。
建立属性卡片,为试验件表面指定单元厚度以及材料。
建立材料卡片,指定材料的比热、密度和导热系数;
步骤3:选择控制类型为PI控制,P=5,I=40;
步骤4:导入期望的试验件表面温度,设定虚拟试验时间,开始仿真计算。计算过程中可实时显示机身温度曲线,期望温度曲线和加热器功率曲线。通过加热器功率曲线可以得到加热器控制电压变化曲线。
步骤5:对比虚拟试验得到的控制电压变化曲线和物理试验控制电压变化曲线。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明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发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。