韓東霏　陳典斌　馬俊英　王芳

摘 要：步入式試驗(yàn)室與現(xiàn)有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)的小型試驗(yàn)箱相比，在參數(shù)檢測(cè)條件、被試品評(píng)定等方面具有針對(duì)性指導(dǎo)的相關(guān)技術(shù)方法較少，且現(xiàn)有溫度試驗(yàn)技術(shù)零散，缺乏系統(tǒng)性、規(guī)范性和針對(duì)性。針對(duì)上述理論原因并結(jié)合試驗(yàn)實(shí)際情況，對(duì)兩種典型設(shè)備開(kāi)展溫度場(chǎng)仿真建模，從數(shù)值計(jì)算基礎(chǔ)上進(jìn)行了溫度場(chǎng)的數(shù)值分析，得到了其溫度分布云圖并給出了準(zhǔn)確的內(nèi)、外部溫度穩(wěn)定時(shí)間，解決了實(shí)際試驗(yàn)中溫度穩(wěn)定時(shí)間難確定的問(wèn)題，并在理論上提供了數(shù)據(jù)支撐，為下一步開(kāi)展理研項(xiàng)目研究奠定理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：保溫時(shí)間 升降溫時(shí)間 熱平衡時(shí)間 溫度場(chǎng) 數(shù)值仿真

中圖分類(lèi)號(hào)：TN249 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）06（b）-0042-03

過(guò)保溫會(huì)引發(fā)設(shè)備相關(guān)結(jié)構(gòu)部件的尺寸和形狀產(chǎn)生熱變形誤差，產(chǎn)生機(jī)械故障而使其性能下降和使用壽命降低。國(guó)軍標(biāo)GJB150A[1]、美軍標(biāo)MIL-STD-810F[2]和英軍標(biāo)DEF 07-55[3]提出用直接測(cè)量法來(lái)確定設(shè)備在高低溫環(huán)境中適應(yīng)能力。但人工測(cè)量費(fèi)時(shí)費(fèi)力，若采用放置溫度傳感器的方法，對(duì)不同結(jié)構(gòu)的設(shè)備，復(fù)雜程度不同。若要求精確得到試驗(yàn)溫度穩(wěn)定時(shí)間，對(duì)溫度傳感器數(shù)量的確定、放置位置的細(xì)化選擇是否科學(xué)合理（包括能否放置進(jìn)精密儀器內(nèi)問(wèn)題、放置后對(duì)試驗(yàn)的影響、艙門(mén)和箱蓋能否關(guān)閉）等多種問(wèn)題可能同時(shí)存在。GJB150的修訂版GJB200X[4]強(qiáng)調(diào)新的設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)在試驗(yàn)程序的選取和試驗(yàn)方案的制定上的剪裁性。目前國(guó)內(nèi)對(duì)溫度試驗(yàn)技術(shù)及溫度環(huán)境對(duì)設(shè)備影響的相關(guān)研究還不夠全面。若要在試驗(yàn)前確定試驗(yàn)溫度穩(wěn)定時(shí)間，目前尚無(wú)結(jié)構(gòu)模型可以衡量，也無(wú)基礎(chǔ)性科學(xué)研究和理論數(shù)據(jù)支撐。

1 數(shù)值仿真研究

1.1 數(shù)學(xué)計(jì)算分析[5]

（1）內(nèi)部微分方程，非穩(wěn)態(tài)、具有內(nèi)熱源的設(shè)備內(nèi)部導(dǎo)熱微分方程為：

式（1）中：T=T（x，y，z，t）（K）為熱力學(xué)溫度分布函數(shù)；t（s）為時(shí)間；λ（W/（m·K））為微元材料的導(dǎo)熱系數(shù)；微元材料單位質(zhì)量定壓熱容為（J/（kg·K））；微元物質(zhì)的密度為ρ（kg/m3）；（W/m3）為微元單位體積的熱生成率。由式（1）可知，發(fā)生導(dǎo)熱過(guò)程的設(shè)備內(nèi)任意一點(diǎn)的溫度隨時(shí)間和空間的變化取決于其各部分材料的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、密度和熱生成率。

（2）外部微分方程，武器裝備外表面與試驗(yàn)箱內(nèi)空氣之間通過(guò)對(duì)流和輻射方式進(jìn)行熱交換，屬于第三類(lèi)邊界條件，換熱規(guī)律表達(dá)式如式（2）所示：

為外表面法向的單位矢量；α（W/（m·K））為外表面與試驗(yàn)箱內(nèi)空氣之間的對(duì)流傳熱系數(shù)；（K）為試件外表面的熱力學(xué)溫度；（K）為試驗(yàn)箱內(nèi)空氣熱力學(xué)溫度；ε為系統(tǒng)黑度，亦稱(chēng)輻射系數(shù)；（W/（m2·K4））為波爾茲曼常數(shù)，其值為5.67×10-8；為輻射角系數(shù)即形狀因子。

（3）有限元矩陣，在有限元熱分析系統(tǒng)中，熱傳遞溫度場(chǎng)控制方程見(jiàn)式（3）：

式（3）中：[C]為比熱矩陣；{}為節(jié)點(diǎn)溫度的時(shí)間導(dǎo)數(shù)；{T}為節(jié)點(diǎn)溫度向量；[K]為有效傳導(dǎo)矩陣；{Q}為有效的節(jié)點(diǎn)熱流率向量。根據(jù)式（3），再根據(jù)邊界條件和初始條件，可在數(shù)值分析軟件中求出溫度試驗(yàn)時(shí)試件溫度場(chǎng)的有限元近似解。

1.2 研究對(duì)象及模型建立

通過(guò)查閱國(guó)內(nèi)外近幾年來(lái)的相關(guān)技術(shù)資料[6-9]，了解溫度場(chǎng)機(jī)理、工作流程及步驟。結(jié)合幾種典型武器裝備，建立可調(diào)整結(jié)構(gòu)模型，仿真分析主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行。

（1）材料設(shè)置，炮體選用52Mn，精密電子儀器部件可簡(jiǎn)化為灌封材料聚氨酯、高頻線路板，材料屬性可查。

（2）邊界條件，初始溫度設(shè)置為室溫25 ℃。為保證足夠長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間使所有位置溫度達(dá)到平衡，經(jīng)試算確定模型外表面溫度加載歷程如圖1所示。

按照實(shí)際試驗(yàn)曲線，當(dāng)空間溫度達(dá)到30 ℃時(shí)，保溫20 h；再經(jīng)過(guò)升溫到60 ℃，保溫30 h。

（3）仿真建模及測(cè)點(diǎn)分布，為證明開(kāi)展“基于有限元分析軟件的武器裝備溫度場(chǎng)數(shù)值仿真研究”的可行性，該報(bào)告以?xún)煞N結(jié)構(gòu)方艙為例進(jìn)行模型建立和布置測(cè)點(diǎn)，如圖2、3和4所示。

圖2為簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)方艙有限元模型及溫度測(cè)點(diǎn)位置示意。從測(cè)點(diǎn)1到測(cè)點(diǎn)6沿右側(cè)方艙壁—空氣—左側(cè)方艙壁的途徑橫貫整個(gè)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)方艙中部。

圖3為復(fù)雜結(jié)構(gòu)方艙模型及溫度測(cè)點(diǎn)位置示意?？諝鉁y(cè)點(diǎn)位于模型中央處，電路板在模型內(nèi)部，外部不可見(jiàn)。

圖4為精密電子儀器部件測(cè)點(diǎn)位置分布示意。精密電子儀器部件裝載在各個(gè)薄壁箱體中，聚氨酯為填充材料，電路板為主要組成部分，溫度測(cè)點(diǎn)位于箱體中部。

2 計(jì)算結(jié)果

2.1 簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)方艙

簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)方艙部分時(shí)刻溫度場(chǎng)云圖如圖5，各測(cè)點(diǎn)溫度歷程曲線如圖6。

結(jié)果分析：簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)方艙模型靠近箱體壁面的測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)5最先達(dá)到溫度平衡，加載30 ℃時(shí)，10 h后所有節(jié)點(diǎn)溫度都已在29.2 ℃以上，之后緩慢進(jìn)入平衡狀態(tài)；溫度加載60 ℃時(shí)，10 h后所有溫度在59.3 ℃以上，之后緩慢進(jìn)入平衡狀態(tài)。

2.2 復(fù)雜結(jié)構(gòu)方艙

復(fù)雜結(jié)構(gòu)方艙部分時(shí)刻溫度場(chǎng)云圖如圖7，各測(cè)點(diǎn)溫度歷程曲線如圖8。

結(jié)果分析：模型2中線路板測(cè)點(diǎn)離上箱面較近，加載30 ℃時(shí)，線路板測(cè)點(diǎn)1、2、3、4在2.83 h時(shí)溫度已達(dá)30 ℃，隨后0.5 h內(nèi)，所有線路板測(cè)點(diǎn)溫度達(dá)到平衡溫度30 ℃；加載60 ℃時(shí)，5 h后線路板測(cè)點(diǎn)1、2、3、4達(dá)到平衡溫度60 ℃，隨后1.5 h內(nèi)，所有測(cè)點(diǎn)達(dá)到平衡溫度60 ℃。模型2中空氣測(cè)點(diǎn)加載30 ℃時(shí)18.8 h溫度平衡，加載60 ℃時(shí)，28 h后溫度平衡。

3 結(jié)語(yǔ)

為對(duì)武器裝備建立某種可調(diào)整結(jié)構(gòu)的有限元模型，在試驗(yàn)前與主持單位及廠家進(jìn)行曲線合理性分析，解決溫度場(chǎng)分布及熱應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)分布問(wèn)題。該文以上述兩種結(jié)構(gòu)方艙的散熱設(shè)計(jì)分析為例，進(jìn)行數(shù)值仿真分析，結(jié)果表明：在溫度變化情況下，試驗(yàn)線路板部件等重要測(cè)試部件內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力、應(yīng)變，是其結(jié)構(gòu)破壞的重要影響因素。后期若進(jìn)一步研究，可以此次分析模型溫度場(chǎng)結(jié)果為邊界條件，進(jìn)行線路板或線路板安裝的子模型熱應(yīng)力耦合分析，得到詳細(xì)溫度加載過(guò)程熱應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果，進(jìn)一步對(duì)其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估。

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