[發(fā)明專利]一種覆有熱保護涂層的蒙皮板在超音速飛行條件下的應(yīng)力預(yù)測方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010535064.7
• 申請日: 2020-06-12
• 公開（公告）號: CN111695219B
• 公開（公告）日: 2023-05-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張玉燕;李晨;溫銀堂;方威;梁波
• 申請（專利權(quán)）人: 燕山大學(xué)
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/28;G06F30/15;G06F111/10;G06F119/14
• 代理公司: 北京高沃律師事務(wù)所 11569
• 代理人: 馬小星

本發(fā)明涉及數(shù)值模擬技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種覆有熱保護涂層的蒙皮板在超音速飛行條件下的應(yīng)力預(yù)測方法。本發(fā)明提供的覆有熱保護涂層的蒙皮板在超音速飛行條件下的應(yīng)力預(yù)測方法，包括以下步驟：建立外圍流場數(shù)值模擬模型；建立覆有熱保護涂層的蒙皮板的傳熱分析數(shù)值模擬模型；建立覆有熱保護涂層的蒙皮板的應(yīng)力分析數(shù)值模擬模型。本發(fā)明采用“流固耦合傳熱”和“熱力耦合”結(jié)合的數(shù)值模擬方法，模擬覆有熱保護涂層的蒙皮板在氣動加熱與氣動載荷共同作用下的應(yīng)力場分布，更能真實模擬超高音速飛行條件下熱源載荷以及覆有熱保護涂層的蒙皮板隨時間變化的應(yīng)力場分布情況，而且可以節(jié)省試驗成本，縮短研究周期，提高計算精度和準(zhǔn)確性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及蒙皮板應(yīng)力分析技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種覆有熱保護涂層的蒙皮板在超音速飛行條件下的應(yīng)力預(yù)測方法。

背景技術(shù)

熱保護涂層可以明顯降低基材溫度、硬度高、化學(xué)穩(wěn)定性好，具有防止高溫腐蝕、延長熱端部件使用壽命等優(yōu)點，熱保護涂層對于基底材料起到隔熱作用，能夠降低基底溫度，使得用其制成的器件能在高溫下運行，因此，新型多功能熱保護涂層技術(shù)成為未來航空領(lǐng)域高溫防護涂層技術(shù)的發(fā)展方向。

然而，熱保護涂層在實際服役過程中，由于涂層與基底材料參數(shù)不匹配導(dǎo)致熱保護涂層受到熱應(yīng)力和殘余應(yīng)力的交替作用，涂層界面可能會產(chǎn)生裂紋，這會嚴(yán)重威脅飛行員和飛行器的安全。為了避免此現(xiàn)象發(fā)生，就需要了解超高音速飛行條件下，覆有熱保護涂層的蒙皮板內(nèi)部的應(yīng)力場分布。

目前，對氣動加熱問題進行研究的方法大致分為四種：飛行試驗、風(fēng)洞實驗、工程估算和數(shù)值模擬。前兩種方法成本高，并且耗費周期也比較長；工程估算方法無法解決非線性問題。近代隨著計算機技術(shù)的進步，數(shù)值模擬這一研究手段被極大的發(fā)展，它可以解決復(fù)雜的問題，并且在計算精度以及開發(fā)時間和研究成本方面的優(yōu)勢是其他研究手段無法比擬的。目前，已經(jīng)開展了比較廣泛的有限元模擬研究，預(yù)測在氣動加熱作用下，蒙皮板的溫度場、位移場、應(yīng)力場以及破壞過程。

目前通過數(shù)值模擬的方法對氣動加熱問題進行研究時，通常人為的設(shè)定溫度載荷曲線，這樣做的缺點是不能真實模擬超高音速飛行條件的溫度載荷變化情況。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種覆有熱保護涂層的蒙皮板在超音速飛行條件下的應(yīng)力預(yù)測方法，本發(fā)明通過“流固耦合傳熱”和“熱力耦合”結(jié)合的數(shù)值模擬方法，最大限度還原覆有熱保護涂層的蒙皮板在超高音速飛行條件下，其內(nèi)部的應(yīng)力場分布情況，提高了計算精度和準(zhǔn)確性。

為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案：

本發(fā)明提供了一種覆有熱保護涂層的蒙皮板在超音速飛行條件下的應(yīng)力預(yù)測方法，包括以下步驟：

建立外圍流場數(shù)值模擬模型，將飛行速度和氣體壓強帶入所述外圍流場數(shù)值模擬模型，得到壁面壓強結(jié)果；將氣體溫度和流-固耦合面初始溫度帶入所述外圍流場數(shù)值模擬模型，得到流-固耦合面溫度隨時間變化的結(jié)果；

建立覆有熱保護涂層的蒙皮板的傳熱分析數(shù)值模擬模型，將所述流-固耦合面溫度隨時間變化的結(jié)果帶入所述傳熱分析數(shù)值模擬模型，得到溫度場結(jié)果；

建立覆有熱保護涂層的蒙皮板的應(yīng)力分析數(shù)值模擬模型，將所述壁面壓強結(jié)果和溫度場結(jié)果載入所述應(yīng)力分析數(shù)值模擬模型，得到應(yīng)力預(yù)測結(jié)果。

優(yōu)選地，所述建立外圍流場數(shù)值模擬模型的方法，包括以下步驟：

11)構(gòu)建超音速飛行條件下的流場的三維模型；

12)對所述流場的三維模型進行網(wǎng)格劃分；

13)在Fluent求解器中進行工程設(shè)置；

14)設(shè)置邊界條件，所述邊界包括進口、出口和壁面；