导弹天线罩静热联合试验及其热强度分析

强度与环境,2001(3)Structure &. Environment Engineering, 2001(3)导弹天线罩静热联合试验及其热强度分析王端志高万镛(北京强度环境研究所,北京,100076)摘要:本文介绍了导弹天线罩地面模拟试验的技术与方法,并采用有限元素法求解某型号天线罩结构在热流与机械载荷的作用下,结构内部随时间变化的温度场及应力场。计算时主要是依据模拟试验中所施加的边界条件和载荷条件进行的关键词:天线罩;热试验;热强度;有限元法中图分类号:V416.4文献标识码:A文章编号:1006-3919(2001)03-0001-091前随着型号的不断发展,导弹以高马赫数在大气层中飞行时,气动加热问题日趋严重,结构热问题越来越受到人们的重视,热环境”已作为结构设计的外载荷条件列入了设计规范结构热试验作为研究结构热问题的有效方法,目前已成为弹(箭)结构设计、强度及可靠性分析、产品性能检验和鉴定的重要手段之一。但是由于飞行器的飞行环境十分复杂,单纯地靠地面试验是不可能全真模拟这种环境条件,只能在简化的基础上近似模拟,加上试验本身的误差,不可避免地要借助多种手段。为配合热结构试验的研究,印证试验的合理性以及弥补试验的不足,从而促进结构热试验技术向更高的水平发展,对试验件进行理论分析与计算工作是至关重要的同时,对试验中的问题进行准确地分析和计算也是开发计算机仿真技术的必要前提,仿真技术与结构热试验技术的密切结合,必将成为解决结构热问题很有前途的发展方向天线罩结构是导弹型号设计、研制阶段的重要部件,由于飞行时天线罩受气动加热较为严重,机动飞行时要承受复杂的气动载荷以及为了透过电磁波采用非金属材料而承载能力较差等原因,其强度、刚度是否合格直接影响到型号的设计定型。目前研制单位一般要进行热强度试验来考核其是否合格。2静热联合试验中国煤化工结构热试验是以设计部根据弹道和气yHCNMHG件为依据,进行试验设收稿日期:2000-12-04作者简介:王端志,男,1972年6月生,汉族,江苏连云港人,硕土,工程师(100076)北京强度环境研究所;高万镛,男,1942年3月生,汉族,北京人,研究员(100076)北京强度环境研究所计。天线罩的静热联合试验包括高温热冲击试验、静力载荷试验、静热联合试验。试验安装示意图如图1所示。根据设计部给定的数据和要求,采用温度控制进行加热。由于天线罩结构各个部位的气动加热状态不同,各部位表面所吸收的热流密度呈非均匀分布状态,要在大面积上实现一个非均匀分布的热场,最有效的方法是把整个加热器进行离散化控制,即将整个加热器划分为多个温区。理论上讲,温区划分得愈多,加热模拟的效果愈真实,在可能的条件下应当遵循“区小域多”的原则,但与此同时增加了设计和试验的复杂程度,在当前条件下难于实现。因此在天线罩静热联合试验中主要根据试验大纲的要求优化设计合理布局,将加热器划分六个控温区,并且两两对应一致。控温点分别位于天线罩上、中、下三段的典型点上,三点控温数据如表所示。由于外表面需要进行加热,所以机械载荷的施加采用內加载,加载头用橡胶缠绕起缓冲作用,以施加面力的方式防止集中力对试件产生破坏天线罩结构近似于锥体(具体结构见图1),主体是陶瓷段,底部通过胶层与殷钢环连接。用竖直的安装方式将天线罩固定在铸块上。采用碘钨石英灯辐射加热器进行加热,加热器由两个锥状半圆柱合并而成,共分上、中、下三排灯,分别对应六个温区。通常控制方式主要有热流控制、温度控制二种方式,其中以热流控和温度控较为常见。热流控一般由设计部提供热壁热流数据,试验前要作损失项与位置系数旳修正,中间环节较多,相对麻烦,但比较成熟。在此试验中,由于只给定边界温度曲线,所以采用温度控制方式,并保证加热与机械载荷在时域、空间域上合理叠加2。3相关理论与方程求解般的非线性瞬态热传导方程是div (kgradT)+q= pCp在直角坐标系中表示为”a d(k)+,(k中国煤化工亚(2)CNMHG边界条件在S1边界上t>0在S2边界上t>0g=gr+其中万为数瓣射换热热流,为对流换热热流,q为给定热流。一般来说、9的表达式分别为ge =h(T-T式中T。为周围环境温度,h为对流换热系数初始条件为T(x,y,z,0)=Tn,t=0,(x,y,)∈9利用有限元素法对导热微分方程的边值问题进行求解般有两种解法,一种对其直接求解,选取试探函数利用加权余数法。另一种是利用微分方程的边值问题与泛函求极值问题的等价性原理,即变分有限元法3与方程(2)及边界条件(3)、(4)对应的泛函可写成JqT'ds +0.5h(T"2-T.T)ds将求解域离散成ne个单元,每个单元有r个节点,任意一个单元或子域记作De,即Dde,则每个单元上的泛函为Lk,(2)2+kDy)2+k(决)2+2(q+Cp)Td+Tds+0.5h(Te-ToT')每个单元内,温度函数可表示为(x,y,2,1)=∑NTi=[N][又由于I=∑1·m、=、=∑=0可推导出有限元列式K][们门]+[N]?7式中[K]—整体温度刚度矩阵N]——整体变温矩阵节点温度矩阵求解非定常温度场时,还要考虑时间坐标,一般采用向后差分法。对于任意时刻t有K工,+[N(),=[P1在求解瞬态温度场时,一般已知的是初中国煤化工,门),项用差分法展CNMHG或所以有3([K]+M[N]7=N[NT-+[P1式中,T]s为已知的初始温度场,由此求出t时刻的温度场[],然后再用t+M代替上式中的t,就可求出t+Δt时刻的温度场。照此递推,可以求出时间步长为△t的各个时刻的温度场计算岀温度场分布后,可以计算罩体的应力场。根据最小位能原理可推导出[K][δPn+[P7]其中[PrJ=[T(r,y, 2,DB][]du[K]-[B][D][B]du几何矩阵,[D]——弹性矩阵又根据应力、应变和位移之间的关系[e]=[B][],[a=D]([e]-[Ta])(10)即可求出应力[σ。4某型号天线罩联合试验的计算结果与试验分析4.1天线罩有限元模型天线罩结构为陶瓷材料的旋转壳体,根部由胶层与连接环粘结在建立模型时均采用六面体单元,在径向(厚度方向)共分四层。在划分有限元网络时,考虑到模型结构长径比很大及局部复杂性,同时为了使连接部位单元节点合并进行的连续协调,因此根据模型特点对其分区处理,并在局部复杂处增大单元划分密度。模型图见图3jA中国煤化工CNMHG图3天线罩有限元俣坐图4.2静载作用下罩体应力场计算在计算应力时,殷钢环底部一段为固定约束,在罩体内壁作用点周围的一小面积上施加面力,力的大小是根据设计部所给的气动载荷数据换算而来。试验前首先对天线罩在此载荷作用下、常温条件时的应力场进行了计算,设计载荷下应力分布如图4,计算的目的除了对罩体进行强度分析外,也为加载头的合理设计提供了理论依据,保证试验的顺利进行。HOM-LAYoTED DNM图4静力条件下陶瓷段的应力分布图4.3热冲击试验条件下罩体的温度场与应力场试验时将试件分为六个温区,且两两对应。即已知第一类边界条件(3)T1、T2、T3。计算时,考虑到罩体内表面与空气接触,由于罩内空气导热系数和势容较小,所以计算中忽略天线罩内空气所吸收的热量,按绝热边界条件处理,这样简化对计算结果的影响很小,较符合实际情况图5~图11分别给出了天线罩结构在40秒、1410秒时温度场、应力场分布图以及罩体在30秒前各层及內外表面各个温区随时间变化的温度曲线图12为静热联合作用下的应力分布。其中图10、图11中黑线(B、D)为外表面施加温度随时间变化曲线,红线(C、E)为试验时传感器测量值,绿线(H、Ⅰ)为计算值最大误差小于8%,表明有限元法求解结构温度场是十分有效和方便的计算方法4.4静热联合作用下天线罩结构的温度场与应力场静热联合实际上考虑到将热流与杋械载荷在时域和空间域上合理叠加。此时罩体由于受到气动力作用而有微小变形,对温度场中国煤化工二者联合作用,对应力场则会产生较大影响图12为1410秒时静CNMHG由计算可以看出当结构既承受热载又承受机械载荷时,最大应力值明显增大(静载时mx=9.2MPa,联合作用下om=13.2MPa)。5图540秒时温度引起的热应力云图t1:teec.-(。N~爪YB图61410秒时温度分布云图TRAN Vendee7-33-AD+: D19492心 Sadc sbae sdi Te.-o-L中国煤化工CNMH图71410秒时温度引起的热应力云图100050010015002002500300图8300秒前第一温度区各层节点温度随时间变化曲线75.06so0101s5020200图9300秒前第二温度区各层节点温度随时间变化曲线Y中国煤化工CNMHG图10第一温度区计算值与试验测量值对比曲线图11第二温度区计算值与试验测量值对比曲线ALQ Secam Sr0°N- LAYEDLED TOMD图121410秒时静热联合作用下应力分布云图5结论本文对天线罩结构承受高温载荷的温度场、热应力场及静热联合作用旳应力场分别进行了分析计算,取得了良好的计算结果。温度场的计算值与试验测量值吻合的很好。由于本试验是检定性试验,未做应变测量,无法将计算应力与实测结果进行比较。并且目前非金属高温应变测量难度大、精度差,是急需解决的技术问题。作者认为,由于有限元法计算的合理性及准确性,只要天线罩结构的材料力学参中国煤化工很大的可信度,对试验的实施能够起到很好的预示作用tHaCNMHG参考文献1]张钰,隽据结构热试验技术M,北京:宇航出版社,1932]GF-A0015558G,王守礼·中国国防科学技术报告,低空超音速导弹天线罩静热联合强度研究[R]北京机电工程研究所,1990-103]孙菊芳主编,有限单元法及其应用[M].北京:航空航天大学出版社,1990[4]孔详谦,有限单元法在传热学中的应用M].北京:科学出版社,1986[5]王瑁成,邵敏.有限单元法基本原理和数值方法[M].北京:清华大学出版社,1997符号表T温度(K)k——导热系数(W/(m·K))0密度(kg/m3)a膨胀系数(1/K)比热(J/(kg·K))h—换热系数(W/(m2·K∈—黑度系数(应变)σ——斯蒂芬常数(应力)Antenna Cover Structure Thermal Test and Analysis UnderCombined Thermal and Mechanical loadsWANG Duan-zhi GAO Wan-yongBeijing Institute of Structure and Environment Engineering. Beijing, 100076Abstract: Thermal problem of structure has critical effect on the performance of missile and is being studiedheavily. As the flight environment of the aircraft is very complicate, it is essential to calculate and analyzethe thermal testIn this paper, using structure thermal test method, the antenna cover was studied and the temperatureand strain of the critical points were measured Using the finite element method, the temperature and strainfield, which changeged with time in the structure, was calculated while the antenna cover was suffering hightemperature thermal shock, heat flow and mechanical loading.Key words: Antenna cover i Structure thermal test: Thermal strength: Finite element method (FEM)中国煤化工CNMHG