惯性平台热场分析及热设计的改进

第13卷第1期中国惯性技术学报2005年2月文章编号:1005-6734(2005)01-0005-05惯性平台热场分析及热设计的改进杨盛林,刘昱,刘玉峰(天津航海仪器研究所,天津300131)摘要:通过对某型惯性平台的热场进行有限元分析,确定了在原设计温度控制点控制范围内该型惯性平台的环境温度适应能力。利用传热学理论,对平台中的强化換热进行了简单的理论分析及计算并提出了改进方案,以期对该型惯性平台环境温度适应性的提高奠定基础关键词:惯性平台;温度场;有限元;强化换热中图分类号:U6661文献标识码:AResearch on heat Field of inertial Platformand Improvement on Heat DesignYANG Sheng-lin, LIU Yu, LIU Yu-feng( Tianjin Navigation Instrument Research Institute, Tianjin 300131, China)Abstract: The ability of inertial platform to adapt the ambient temperature within the range oftemperature control point is ascertained through the analysis of one type of inertial platform,s heatfield with finite element simulation software. In order to apply some fundamental functions upon theimprovement on the inertial platform's adaptability to environmental temperature, intensifying heatexchange is studied using heat conduction theory and improved projects are also brought forwardKey words: inertial platform; temperature field; finite element; intensifying heat exchange惯导系统的精度受很多因数的影响,其中陀螺仪的性能是最主要的影响因数。在以液浮陀螺仪为核心元件的惯导系统中,由于液浮陀螺仪自身的工作原理,要求有严格的温度控制。其中包括:工作温度稳定性的控制以及对陀螺浮子周围温度梯度的控制。为了保证前者,必须确保陀螺的工作温度在环境要求的全温度范围内恒定。但在大的环境温度范围内完全依靠陀螺仪自身的温控系统很难达到高稳定性的要求。为此,必须采用多级温控方式,即加强惯性平台温控,使陀螺仪在恶劣的环境温度变化条件下能处于较好的温度条件(例如±1℃),然后再利用陀螺仪自身温控系统达到高的温控精度(变化小于0.01℃)。惯性平台设计的任务之一就是针对陀螺仪对多级温控的要求进行有效的平台热设计。陀螺是一个发热元件,而外界又是一个由低到高具有大温度范围的环境。因此,从温控要求角度看,惯性平台是一个精确的兼顾散热和保温的具有复杂结构的热系统。为了达到既能保温又可散热的要求,应为陀螺仪提供良好的温度界面。以往常采用试验及模拟计算的方法来进行平台的热设计,但由于平台结构复杂,很难保证计算的准确性,使得惯性平台的结构热设计难以达到要求。本文试图从有限元方法着手,利用成熟的分析软件对上述问题进行探讨,力求得到有益的设计指导中国煤化工基金项目:国防科技应用、基础研究项目CNMHG收稿日期:2004-11-27作者简介:杨盛林(1978—),男,天沖航海仪器研究所研究生,研究方向为导航、制导与控制。国惯性技术学2005年2月1惯导系统对惯性平台热设计的基本要求惯导系统对惯性平台热设计的基本要求包括:1)在整个环境温度变化范围内,惯性平台必须保证陀螺仪安装界面温度恒定的要求。对本型平台为±1℃,而陀螺仪在此条件下加热及保温电流必须大于某个要求值。2)在整个环境温度变化范围内,当框架及台体的姿态发生变化时,应保证陀螺仪周围的温度梯度不大于某个值,对本型平台为1℃。2惯性平台的热场分析本文将以现有某型惯性平台为对象,就热设计的第一个要求外冷却进行研究分析,并提出结构改进方案内框架2.1台体发热量的估算上散热盘内搅拌最小发热量当环境温度超过一定值后,台体温控加热电流为零,此时只有陀螺电机和传感器等电子器件发热。假设3个陀台体一内风道螺仪的一切功率都相等,即单个陀螺仪马达功率77W,传感器台体罩-外风道功率05W,这样3个陀螺仪总的发热量为246W。台体上其他外框架电子器件发热:温控板5个,每个05W;前放板3个,每个02下散热W,共计3.1W。因此,台体上的最小发热量为27.7W。最大加热功率陀螺仪加热电流最大为2.5A,其功率为图1四分之一实体简化模型(24-1)×2.5=57.5W每个陀螺仪发热量为657W,3个共发热197W台体的最大加热功率为200.2W。保温功率当陀螺仪处于保温状态且保温电流为0.25A时,单个陀螺的发热量为77+0252×10+0.5=8825W,此时台体的发热量为3×8825+31=29575W。下面将在陀螺仪处于保温状态,且加热电流不变的情况下对平台进行热场分析。22平台的热分析2.2.1有限元模型的建立由于平台结构复杂,建模是一个难点,因此采用易于建模的-DEAS软件进行建模并且用其ESC模块进行分析。在模型的简化中知,台体为非对称结构,其余支承结构都可视为四分之一对称结构。其实体简化模型如图1所示。采用4节点的四面体单元划分网格,最后得固体热节点和热单元的数目分别为60186和159832个,流体热节点和热单元分别为82918和397800个。2.2.2边界条件的确定通过对单个陀螺仪进行分析和实验可知,由辐射和对流所散出的热量为40537W。考虑单陀螺实验时陀螺所处的环境与陀螺仪位于平台台体内的环境条件的差异,在此取辐射和对流换热量为单陀螺实验数值的60%,即3个陀螺仪总共有7.2967W的热量通过辐射和对流直接传到上下散热盘和台体罩上其余的热量只能通过传导传到内框架和上下散热盘上。而要确定其分配量,首先必须估算台体分别到内框架和台体罩的热阻。通过计算,各个热阻值列于表1中。表1台体到内框架及台体罩的热阻台体到内框架体罩关键热阻中国煤化工上部R下部R2下部R4CNMH阻值(℃…W2.692955U64b50.6482第1期杨盛林等:惯性平台热场分析及热设计的改进根据某型惯性平台的温度实验,取台体的平均温度7=585℃,内框架的温度t=45.6℃。因为Q内RR2R+R2)=-r',所以通过内框架传导出去的热量Q内=(-^)R+R2)/RR2=915,因而通过上下散热盘传导出的热量为13.1283W,而这两部分的载荷在施加时都得分成上下两部分。根据热阻的比值关系可以推得热量的分配关系,有:Q上_R_064829内上R2295Q下R106465和{Q内下R1269得Q上=65728F和)上=479Q+9下=131283Qn上+Qn下=Q=91567=6556841gr=436W图2为台体的散热示意图。温控内壳体对流和辐射内风道外风道上的加热功率将随着环境和监测点温度的改变而改变。原设计为粗精两组加热片,其台体罩中粗加热片(交流加热阻值309)用于系平台外统启动时缩短加温时间,当监测点温度升高Ra围环到42℃时断开;精加热片(直流加热阻值69)将在系统的运行过程中始终开启并且内框架随着环境温度的改变而相应调整所加电压t-o-的占空比,使得加热电流在0~8A变化。图2台体散热示意图考虑到平台对环境温度的适应性,在此取环境温度从-2043℃进行分析。为简化起见,仅取几个有代表性的温度点进行计算。2.2.3分析结果在假定陀螺仪保温电流不变的情况下,各个主要测温点的温度和精加热片的加热电流随环境温度的变化如表2所示表2随环境温度变化的各主要数据值(陀螺仪加热保温电流恒定)环境温度/℃-1030404243精加热片加热电流/A90918:0656983575341320793监测点温度/℃44.644.644.644.644.6散热盘温度/L上盘5353.053.5下盘50250250150250050652台体罩温度/罩东49.849849849849750051949.649.649.649651.8从表2可以看出:当环境温度接近0℃时,加热片的加热电流已超出了电流的最大设计值8A;而当环境温度升高到将近42℃时,即使此时没有加热电流,监测点的温度也已超过了设计值(45±0.5℃),此时整个系统的温控已失去控制这说明现有的这套温控系统只能在241℃的环境温度下使系统处在正常的热状态;超过这个范围,陀螺仪自身必须做出反应。对于低温,可以增加陀螺保温电流来保证陀螺的工作温度;而对于髙温,因保温电流已到零,从而造成陀螺超温。下面列出当陀螺仪的加热保温电流改变时平台能够适应的环境温度,如表3所示。从表3可以看出,只要陀螺仪柏稍增加其加热保温电中国煤化工度,该型平台对低温的适应性不存置疑;但在高的环境温度下,即使陀螺亻CNMH高温适应性也不能有多少改善。本文分析的目的也在于通过改变现有的结构,墙强具散热性,提晶该型平台的高温适应性,以确保陀螺仪在尽可能髙的环境温度下不要岀现超温现象中国惯性技术学报表3随环境温度变化的各主要数据值(陀螺仪加热保温电流改变环境温度/℃10精加热片加热电流/A8069835753413207930000陀螺仪加热保温电流A0470354025105025025025000100监测点温度/℃44644644.644.644.644.9散热盘温度53.153.1552下盘50.250.1台体罩温度49849.8罩北649649649649649.549.64973散热结构的改进散热结构的改进主要从下面两方面来进行:改进内外风道以及改进各种散热翅片3.1风道的改进通过分析得到的风机曲线(图3和图4)可以看出,不35管是内风道的搅拌风机(图3),30还是外风道的冷却风机(图4)M(7045×10321649)都没有达到理想的工作状态M(7913×103,16407)其原因都是由于局部压力损失E10050和沿程压力损失过大,其中局s部压力造成的损失最为严重---+---0005002000500100150020025基于这个原因,风道按以下原Volume flow rate/ (m/s)Volume flow rate/(mis)则进行了改进:风道合理设计,图3搅拌风机FAN844N工作点4冷却风机FAN3414N工作点以避免局部换热;风道横截面面积增大,以增加换热面积;同时截面突变尽量小3.2翅片的改进研究表明,管内外翅片不仅能起到增加参与对流换热总的有效面积、减小该侧传热热阻的作用,而且可使翅侧的壁面温度更加接近于同侧流体的温度;翅片的存在也较大地改变了流体的流动形式和阻力分布。翅片强化传热的机理是增加近壁处流体的紊流扩散系数,从而降低近壁处的热阻使得换热系数大大提高。但也并不是翅片数目越多散热效果越好,仅对管内流体流动而言就有区别。对于层流来说,适当增加翅片数目和翅高都能提高其散热效果:但对于紊流来说,其主流部分的热扩散系数本来已经很高,一味的增加翅数和翅高不仅不能改善散热性能,而且还会阻碍流体的充分流动。因此,为了加强紊流时的散热,应该采用能够增加近壁处紊流度的壁面扰流装置,而少用增强整个流道扰动度的管内插入物。当流体做层流流动时,横向粗糙肋也有一个最佳的节距翅高比s/h。美国斯坦福大学对横向粗糙肋的节距翅高比s/h=2~96的圆管做了空气流动实验,实验表明,最佳的s/h=7~10。针对本文研究的惯性平台,其内外风道中的流体基本都充分发展成了紊流运动,那么翅片添加的原则应该是:翅片高度不要太大,应增强近壁紊流度;保持节距翅高比在7左右,而不应该约为1。这样,不仅加工制造方便,而且也能节省不少材料,最重要的是能够有效地提高换热器的换热效果。中国煤化工4结论CNMH表4为内风道在风量为00317m3s(单机风量为005所示)处的局部压力损失,表5为外风道在风量为00281m3/s(单机风量为0007m3/s)时各突变截面处的局部压力第1期杨盛林等:惯性平台热场分析及热设计的改进损失,而表6则为内外风道的沿程压力损失。从表4和表5可以看出,内风道局部压力损失最大处在中壳散热器F处,而外风道局部压力损失最大处在中壳散热器M和盖罩出口S处。首先在这三处地方做以下的改动:F处:此处由原来的翅高6mm,节距8mm分别变为翅高2mm,E节距10mm,并且直接做成整圈。改变后的局部压力损失变为1.686Pa,内搅拌风机的风量可以升高到000879m3/s(单机风量)M处:此处由原来的翅高10mm、节距8mm分别变为翅高2mm节距10mm,并且也直接做成整圈。改变后的局部压力损失变为1.258PaS处:此处的盖罩加高5mm,出风小孔由原来的4排864-蚂变为2排152-10。改变后的局部压力损失变为0.8854Pa。M和S处的改变使得外冷却风机的风量可以升高到001037m3s(单机风量)。图5内外风道截面突变示意图表4内风道截面突变处压力损失(风量00317m/s)位置点EGHIJ计算面积m20014800148002390.01050.026501980015300153.0120.12压力头/Pa2550525505097805067307955142502.38662.38660.038800388阻力系数01450.990282.3224.5680.2110.81601770.05压力失Pa25050369809631488184721650950503619474006903表5外风道截面突变处压力损失(风量0.0281m/s)位置点计算面积/m20.0139002650.0171001390.02810.03170.025900946000611压力头/Pa2.421406621.600|242140.59250.4656069740052312.5319阻力系数0.8227902024610447.0360381压力损失Pa121070.54761264290.59570618600940069740.367847147表6内外风道沿程压力损失位置平均断面平均周当量半径风遮雷请数程阻压力头道等效沿程压力/P长度/m损失/P00239799×101.3272F20026535381749×10-31.06041 2061003360.97810.61710.03170.6620.40.2823通过对改动后模型的分析发现,在环境温度为43℃时,检测点的温度由原来的469℃下降到458℃,这说明风道的改进能够有效地提高该型平台的环境适应性。如果对整个风道进行系统的改进,相信将会有更满意的结果参考文献:顾维,种家锐,马重芳,等,强化传北京:科学出L中国煤化工[2]王勖成,邵敏.有限单元法基理和数值[3]陈礼,吴勇华.流体力学与热工基础[M北京:清华大学出版CNMHG[4]白永杰,刘德钧.某型液浮陀螺浮子结构的热应力分析[中国惯性技术学报,19997(4):5457