[發明專利]一種基于ANSYS?APDL語言開發的復雜熱環境下球形光學頭罩瞬態熱?結構耦合分析方法

有效

• 申請號: 201510412213.X
• 申請日: 2015-07-14
• 公開（公告）號: CN104951626B
• 公開（公告）日: 2018-03-30
• 發明（設計）人: 范志剛;薛文慧;王惠;陳婷;包春慧;解放;陳守謙;張旺
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 哈爾濱龍科專利代理有限公司23206
• 代理人: 高媛

技術領域

本發明屬于氣動光學效應研究領域，涉及一種基于ANSYS-APDL語言開發的復雜熱環境下球形光學頭罩瞬態熱-結構耦合分析方法。

背景技術

氣動熱環境下球形光學頭罩由于熱傳導和熱應力等效應導致頭罩材料的外形和光學性質發生變化，進而影響來自目標的紅外輻射光線傳輸，使得高速飛行器成像探測系統對目標圖像產生像模糊、抖動、偏移和能量衰減，最終將嚴重影響高速飛行器的探測性能。飛行器在大氣層中高速飛行時其頭罩與來流之間發生劇烈的相互作用，頭罩溫度升高，使光學成像探測系統處于復雜的氣動熱環境中，這種效應稱為飛行器光學頭罩氣動熱效應。球形頭罩氣動熱效應中離不開熱量的傳遞，因此在換熱、力學邊界條件已知的情況下，利用有限元分析軟件ANSYS對頭罩進行熱-結構耦合計算，可得到氣動熱環境下頭罩的溫度場、熱應力場、熱應變場和熱形變場等結果數據文件。后續我們可以根據已得到的結果數據利用熱光效應和彈光效應原理，計算頭罩在氣動熱環境下的折射率場，為氣動熱環境下高速飛行器外流場和頭罩光傳輸仿真分析和頭罩熱輻射計算提供數據支持。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于ANSYS-APDL語言開發的復雜熱環境下球形光學頭罩瞬態熱-結構耦合分析方法。在本發明中，用ANSYS-APDL語言開發了一種外表面熱流密度以及氣動壓力隨時間變化的瞬態仿真計算法，通過開發的APDL命令流可以一次性計算得到球形光學頭罩在氣動熱環境下的熱響應結果(包括光學頭罩在氣動熱環境下的溫度場、熱應力場、熱應變場和熱形變場)，避免了之前同一類問題多次使用用戶界面進行加載費事、費力、易錯等缺點，而且通過宏的使用成功實現了頭罩外表面熱流密度和氣動壓力隨時間變化情況下頭罩氣動熱響應的動態計算。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

一種基于ANSYS-APDL語言開發的復雜熱環境下球形光學頭罩瞬態熱-結構耦合分析方法，包括以下步驟：

一、基于APDL語言的任意球形光學頭罩有限元模型的建立

在對復雜熱環境下球形光學頭罩進行瞬態熱-結構耦合分析時，首先應依據分析的類型選定對應的有限元模型，在APDL中依靠命令ET進行有限元模型的定義。由于本發明要對復雜熱環境下球形頭罩進行熱-結構分析，所以在所編寫的APDL語言中所采用的類型為plane13與solid5。在選定有限元類型并進行定義后，進行仿真模型的建立過程。依據球形頭罩的內外半徑r’與r以及頭罩頂端到底端的距離d三個幾何參數，進行球形頭罩計算模型的建立。在使用APDL語言建立部分圓環模型時，需要將頭罩頂端到底端的距離d轉化為部 分圓環所對的圓心角θ，利用APDL中命令中PCIRC命令生成對應角度的計算模型。在本發明中，所建立的部分圓環結構如圖1所示，圖示中的圓心角為83.475度。

接下來通過編寫APDL命令對上述建立的部分圓環的四條邊界線進行網格大小以及網格劃分類型的控制，可以按照要求精度的高低自由限制劃分網格的大小，網格劃分類型采用二維平鋪式。然后采用APDL中的AMESH命令劃分網格，在本發明中采用上述方法劃分網格后結果如圖2所示。

在得到如圖2所示的有限元模型后，我們通過APDL中VROTAT命令控制該模型繞坐標軸或是過兩個特定關鍵點的直線旋轉一定的度數，進而生成最終的有限元分析模型。具體旋轉的度數應按照實際模型來確定，在本發明中圖3-4中所示的球形頭罩內外側有限元模型是由圖2所示的部分平面圓環旋轉360度形成的。如果僅分析其中的一部分，可以選擇旋轉0°到360°的任意角度來建立模型。

二、基于APDL語言的球形光學頭罩計算時間參數以及材料物理參數的確定

在使用APDL進行計算時，需要對計算時間總長、計算時間步長、估計熔化時間、飛行時間間隔以及子載荷的步數進行合理的設定。由于在后續研究中要利用本發明所得的數據結果結合熱光效應與彈光效應計算氣動熱環境下高速飛行器光學頭罩的折射率，所以在對材料的物理特性輸入時，需要考慮材料的非線性特性。

在本發明中，使用APDL載入的頭罩光學晶體材料的物理特性參 數包括：該材料的彈光系數、導熱系數、彈性模量、熱膨脹系數、屈服強度、熔點、切變彈性模量、o光折射率、e光折射率、o光熱光系數、e光熱光系數、比熱容、密度和泊松比。在球形光學頭罩材料確定的情況下，以上數據均可查閱相關資料得到。在得到以上所提的材料物理參數后，使用APDL中的MP，TB，TBTEMP，TBDATA等命令對相應的物理量進行定義與輸入。