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材料性能对加热功率需求的研究
发布时间:2018-09-06

1.引 言
    科技的进步使得高超声速飞行器马赫数越来越高,飞行器表面与大气摩擦产生的气动加热将导致结构产生热应力与热变形等 现 象,使飞 行 器外形、结构强度及结构刚度发生变化。结构热试验技术正是为解决飞行器跨越声速后出现的热障问题而发展起来的一种地面模拟试验技术,通过在地面等效模拟飞行热环境、气动载荷等因素来考察其对结构以及结构适应性的影响,测量并记录温度、应变等有关数据分布规律,通过试验鉴定结构的热强度。地面热模拟试验热源,国内广泛使用的是石英灯辐射加热。石英灯具有加热时间长、加热能力强、多温区控制等特点,是有效的结构全尺寸热试验方法。石 英 灯 加 热 的 温 度 理 论 上 可 以 达 到1500℃,但是在此温度下,加热时间不能太长,一般限制在20s以内,在1250℃以下可以进行较长时间的热试验。文献通过蒙特卡罗方法开展了灯头盲区对热流场的影响分析,获得了灯头盲区尺寸、灯阵与试件距离对热流波谷的影响规律,提出并讨论了改善灯头盲区的方法。
    传统的加热器设计是根据试验件外形确定加热器的形状和结构尺寸,然后在此基础上布置尽可能多的石英灯管,并未对加 热 器需 用功 率 进 行 计算,这会导致加热器功率不足,无法满足试验温度要求的情况出现,使试验调试时间延长,严重的还会造成石英灯管超功率使用,引发灯管爆裂或灯管使用寿命缩短。本文对试验件所需的加热功率进行了理论描述,同时指出,为使试验件表面温度达到相同数值,不同材料由于其热沉的不同,所需的加热功率差异很大,钛合金所需热流是陶瓷所需热流的两倍以上。

2.石英灯加热功率估算
    采用基于试验件材料热物理性能的加热器功率估算方法,确定加热器的设计功率。对于薄壁结构,按照结构最大可能吸热量确定,试验件表面达到最高试验温度时试验件吸收的热量表示为:

    式中,Q 为试验件表面达到最高试验温度时试验件吸收的热量,J;A 为试验件受热面积,m2;δ为受热面材料厚度,m;ρ为受热面材料密度;kg/m3;C为受热面材料的比热容,J/(kg·℃);T 为试验件表面达到的最高试验温度,℃。
试验件最大温升率对应的升温时间为:

    式中,T 为 试 验 件 表 面 达 到 的 最 高 试 验 温度,℃;t为加热时间,s;Tv为最大温升率,℃/s。试验件吸收热功率为:

    式中,Wx为试验件吸收的热功率,W;
    公式(3)表明,试验件吸收的热功率与材料的比热容和温升率成正比,而与 试 验 的 最 高 温 度 无关。它是在绝热条件下试验件按某一温升率加热时所需要的理论功率。
试验件吸收的热功率是加热器的有用功率,向周围环境的对流、辐射散热等热损失属于加热器的无用功率,加热器的设计功率为:

式中,W为加热器设计功率,W;η为加热器效率。
加热器效率与热源状态、被加热试件表面性质、试验件内部传热条件、周围环境条件等因素相关。
3.材料特性对加热功率的要求
3.1问题的提出
由于厚度相同、应用热环境相同的不同材料的热物理参数不同,其热传递的速度也不同。所以,相同结构在相同的试验环境中,为了使结构表面的温度相同,则需要施加不同的加热功率。
3.2研究方法
    针对陶瓷、钛合金、A3钢3种材料的试验件(尺寸240×240),通过数值仿真进行对比分析。除结构上表面施加热流外,其它表面绝热。表1给出了材料热物理参数。

    在相同热流载荷下,通过计算可以得到3种材料试件的表面温度。对热结构中常见的钛合金和陶瓷材料,通过热流反演,得到表面温度相同时,钛合金与陶瓷试件的输入热流曲线。
3.3热流反演
    所谓热流反演,就是已知结构表面温度反推出所需要施加的热流。采用了图1所示的结构表面热流计算流程。

第一步,在 MSC.Patran平台建立有限元模型;
第二步,在场环境(Fields)输入热物理参数表;
第三步,输入初始热流曲线;
第四步,导出 MSC.Nastran格式的 PDF 卡片数据,对 MSC.Nastran格式的 PDF卡片数据进行归一化处理,处理方法是热流载荷的相关数据提取出来,并保存在热流数据文件中,其它数据由于在后续计算中没有变化,保存在一个固定文件中;
第五步,进行当前工况计算;
第六步,提取计算模型特征点的 MSC.Nastran计算结果;
第七步,对特征点的温度与给定的计算模型表面温度进行比较,根据比较结果,自动动态修正热流载荷曲线数据并形成新的BDF文件,如果没有满足要求则转到第七步,如果满足要求则转到第八步;
第八步,计算结束。相同热流载荷下,计算得到3种材料的表面温度(如图2所示),可以看出,陶瓷的温度升高最明显,钢材试件最小,而钛合金处于两者中间。3种材料的热沉差别不大,而密度相差较大,试件的尺寸相同。因此,密度大的温升最少,数值仿真的结果与此相符。

    当钛合金试件和陶瓷试件表面温度相同(如图3所示)时,通过热流反演得到的热流曲线如图 4所示。由图4可以看出,为了达到相同的表面温度,钛合金所需热流是陶瓷所需热流的两倍以上。对于由两种热沉相差不大的材料构成的试验件,保持相同温度时,输入热流的差异 主 要 是 密 度 差 异 导 致的,钛合金和陶瓷材料的密度差异2倍以上,图4中数值仿真分析的结果也符合这一特点。

4.结 论
本文针对热结构试验中,石英灯加热系统的设计参数问题进行了系统研究,通过本文的研究,可以得到:
(1)加热器输入功率的计算方法,给出了根据热流(或温度)边界条件,加热器功率的理论计算公式;
(2)不同材料试验件对加热功率的要求是完全不同的,加热器的设计应该在遵循前述两条结论的条件下,根据具体情况进行计算和参数选取。

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