田 敏

(中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，陜西 西安 710065)

1 引 言

結(jié)構(gòu)熱試驗(yàn)是測(cè)試飛行器防熱/隔熱的主要手段。結(jié)構(gòu)熱試驗(yàn)過(guò)程中使用的加熱設(shè)備可分為接觸式加熱器(亦稱(chēng)加熱帶)和非接觸式加熱器兩種。非接觸式加熱器采用輻射加熱，主要以石英燈、石墨為高溫元件，已成功應(yīng)用于飛行器熱試驗(yàn)之中[1-4]；接觸式加熱器根據(jù)電阻元件形狀不同，分為帶狀、電熱絲和電熱管等加熱方式，已成功應(yīng)用于常規(guī)高超聲速風(fēng)洞連續(xù)式加熱試驗(yàn)之中[5]。

在穩(wěn)態(tài)熱試驗(yàn)中，接觸式加熱是一種簡(jiǎn)便易行的加熱方式，特別適用于試驗(yàn)件表面同時(shí)承受均布?jí)毫蜏囟容d荷的熱力聯(lián)合試驗(yàn)。由于電熱絲發(fā)出的熱源是一種線狀熱源，直接接觸試驗(yàn)件會(huì)造成試驗(yàn)件的溫度不均勻，特別是對(duì)熱導(dǎo)率較低的復(fù)合材料試驗(yàn)件，可能會(huì)造成試驗(yàn)件過(guò)熱損傷。因此，必須對(duì)接觸式加熱帶進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 接觸式加熱器功率設(shè)計(jì)

接觸式加熱器由內(nèi)部的電熱絲和外部的絕緣層組成。內(nèi)部電熱絲在通電情況下作為發(fā)熱元件，外部的絕緣層除了有絕緣的效果，也作為勻熱部件使用。如果外部的絕緣層太薄、傳熱過(guò)快，或直接與試驗(yàn)件表面接觸等，將會(huì)造成試驗(yàn)件過(guò)熱損傷。因此，在試驗(yàn)件與加熱帶之間加裝勻熱材料，使與試驗(yàn)件接觸的勻熱層表面溫度均勻。

接觸式加熱器的原理是利用電能產(chǎn)生熱量，通過(guò)輻射方式把熱量傳給勻熱層，勻熱層再把熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)方式傳給試驗(yàn)件。接觸式電熱轉(zhuǎn)換關(guān)系式為[6]：

Q=I2Rt

(1)

式中，I為電流，A；R為電阻，Ω；Q為熱量，W；t為時(shí)間，s。

2.1 勻熱層確定原則

勻熱層材料選擇能夠耐受試驗(yàn)溫度的柔性材料。根據(jù)試驗(yàn)溫度高低，可選擇硅橡膠、玻璃棉氈、玻璃絲布、石棉布、透氣氈等材料。勻熱層的厚度取決于所選材料的熱導(dǎo)率。熱導(dǎo)率大，則勻熱層厚；熱導(dǎo)率小，則勻熱層薄。此外，勻熱層的厚度受限于商品材料的規(guī)格，不能隨意選取。

2.2 加熱帶功率設(shè)計(jì)

在確定了勻熱層的材料和勻熱層的厚度后，進(jìn)行電阻絲加熱帶的功率設(shè)計(jì)。

電阻絲加熱帶的面功率[7]為：

(2)

式中，W為加熱帶設(shè)計(jì)功率，W/m2；δ為受熱面材料厚度，mm；ρ為受熱面材料密度；g/cm3；C為受熱面材料的比熱容，J/(kg·℃)；Tv為最大溫升率，℃/s；η為加熱器的效率。

3 接觸式加熱器數(shù)值仿真

3.1 計(jì)算方法

應(yīng)用MSC.Patran軟件對(duì)試驗(yàn)件和勻熱層按照500mm×500mm的平板進(jìn)行建模。在勻熱材料外表面施加線狀熱載荷，線狀熱載荷的間距即為電熱絲的絲距。瞬態(tài)分析按熱載荷曲線為在100s內(nèi)從常溫升至給定的電熱絲溫度之后保持，計(jì)算試驗(yàn)件表面溫度。

如果在試驗(yàn)規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，試驗(yàn)件表面溫度均勻且達(dá)到試驗(yàn)溫度，則線狀熱載荷的間距即為電熱絲的設(shè)計(jì)絲距；如不滿足溫度均勻性條件或在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)達(dá)不到試驗(yàn)溫度，則調(diào)整間距重新計(jì)算。

3.2 計(jì)算工況描述

加熱帶電阻絲間距采用數(shù)值模擬，加熱帶與試驗(yàn)件表面采用20mm厚的隔熱材料。

某試驗(yàn)機(jī)體蒙皮的厚度只有0.6mm，計(jì)算中采用500mm×500mm的0.6mm厚的平板，其上為20mm厚的隔熱材料。有限元網(wǎng)格劃分的原則是：機(jī)體蒙皮厚度方向1等分，隔熱材料厚度方向2等分，在其他坐標(biāo)方向按照5mm進(jìn)行等分，共有節(jié)點(diǎn)40804，體單元30000。在機(jī)體內(nèi)面采用3W/m2的對(duì)流邊界，厚度方向絕熱。

載荷采用4種方式：第一種是在隔熱材料外表面每隔10mm施加溫度載荷；第二種是在隔熱材料外表面每隔20mm施加溫度載荷；第三種是在隔熱材料外表面每隔30mm施加溫度載荷；第四種是在隔熱材料外表面每隔40mm施加溫度載荷。

瞬態(tài)分析溫度載荷曲線為熱源在100s內(nèi)從常溫30℃升至350℃，之后保持，計(jì)算時(shí)間為3600s。

3.3 計(jì)算結(jié)果

對(duì)于第一種工況，在1726.5s時(shí)，結(jié)構(gòu)表面溫度111℃，溫度云圖見(jiàn)圖1，可以看出，溫度是均勻的。對(duì)于第二種工況，在2366.5s時(shí)，結(jié)構(gòu)表面溫度110℃，溫度云圖見(jiàn)圖2，可以看出，溫度是均勻的。對(duì)于第三種工況，在3102.5s時(shí)，結(jié)構(gòu)表面溫度110℃，溫度云圖見(jiàn)圖3，可以看出，溫度是均勻的。對(duì)于第四種工況，在3614.5s時(shí)，結(jié)構(gòu)表面溫度103℃，溫度云圖見(jiàn)圖4，可以看出，溫度是均勻的。

圖1 工況1溫度云圖

圖2 工況2溫度云圖

圖3 工況3溫度云圖

圖4 工況4溫度云圖

由腹板角度變化特點(diǎn)可知，每一次腹板角度的改變都必須建立新的有限元模型，這必然要耗費(fèi)大量精力做重復(fù)性操作。同時(shí)，腹板角度變化是在滿足ITPS承載能力前提下的尋優(yōu)過(guò)程，而尋優(yōu)是一個(gè)參數(shù)迭代與循環(huán)計(jì)算的過(guò)程，每一次迭代都需要修改模型的參數(shù)，然后重新建模分析，周而復(fù)始。

為了實(shí)現(xiàn)ITPS有限元建模的自動(dòng)化和高效化，采用MSC.Software公司提供的二次開(kāi)發(fā)語(yǔ)言PCL的參數(shù)化建模技術(shù)[8-10]。PCL(Patran Command Language)是一個(gè)模塊化結(jié)構(gòu)的編程語(yǔ)言和用戶(hù)自定義工具，提供了大量的內(nèi)置庫(kù)函數(shù)。使用PCL語(yǔ)言，用戶(hù)可以很方便地編制MSC.Patran的二次開(kāi)發(fā)程序，擴(kuò)展MSC.Patran的功能。

在MSC.Patran中進(jìn)行有限元建模時(shí)，界面底部的命令輸入欄同時(shí)顯示當(dāng)前操作的命令，并以SES為擴(kuò)展名形成文件，該文件用PCL語(yǔ)言完整記錄了所有的界面操作過(guò)程和相關(guān)數(shù)據(jù)。對(duì)于關(guān)鍵參數(shù)的數(shù)值，用變量代替，通過(guò)編寫(xiě)界面輸入ITPS參數(shù)即可自動(dòng)建立當(dāng)前參數(shù)的有限元模型。

根據(jù)四種計(jì)算工況，在20mm厚的隔熱墊作用下，機(jī)體表面能夠達(dá)到溫度均勻，只是達(dá)到110℃的時(shí)間不同，第四種工況在1h內(nèi)還沒(méi)有達(dá)到溫度要求。結(jié)合以往實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可以得出，加熱帶電阻絲間距不大于20mm，在額定功率下進(jìn)行加熱，溫度到達(dá)要求所需時(shí)間不大于40min，可以滿足試驗(yàn)要求。

4 影響加熱均勻性的因素及解決方法

4.1 影響加熱均勻性的因素

(1)受電阻絲排布的影響，加熱帶自身發(fā)熱不均勻，電阻絲處溫度高，電阻絲之間溫度低，電阻絲的排布間距會(huì)影響加熱效果。

(2)試驗(yàn)件為空腔結(jié)構(gòu)，加熱過(guò)程中存在空氣對(duì)流產(chǎn)生的熱損失，導(dǎo)致溫度不均勻。

(3)試驗(yàn)件為結(jié)構(gòu)件，自身結(jié)構(gòu)不均勻(內(nèi)部存在加筋等結(jié)構(gòu))會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)件不同區(qū)域表面溫度存在差異。

(4)熱試驗(yàn)中采用“以點(diǎn)代面”的控制方法，可能會(huì)造成溫度不均勻。

4.2 解決方法

(1)在加熱帶與試驗(yàn)件之間鋪設(shè)一層勻熱層(低熱導(dǎo)率材料)，加熱帶為電阻絲型加熱器，自身產(chǎn)生的熱量不均勻(電阻絲處溫度高，電阻絲之間溫度低)。采用數(shù)值仿真確定勻熱層的厚度，使試驗(yàn)件接觸到的熱量相對(duì)均勻。

(2)在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，用隔熱材料將試驗(yàn)件開(kāi)口密封，使試驗(yàn)件自身成為一個(gè)相對(duì)密閉的結(jié)構(gòu)，減少空氣對(duì)流。

(3)延長(zhǎng)加熱時(shí)間，延長(zhǎng)保溫時(shí)間。在加熱過(guò)程中，使用低電壓，降低加熱帶功率，拉長(zhǎng)加熱時(shí)間。如加熱帶額定電壓為220V，首先提供給加熱帶100V電壓，這樣加熱帶功率降低，拉長(zhǎng)加熱時(shí)間，使勻熱片和試驗(yàn)件均充分傳熱，將試驗(yàn)件緩慢加熱至50℃，保持溫度10～30min(保溫時(shí)間可根據(jù)試驗(yàn)時(shí)監(jiān)測(cè)的溫度均勻情況確定)，然后將溫度提高至70℃，重復(fù)上述步驟，直至達(dá)到目標(biāo)溫度。該方式保證了溫度均勻性。

(4)盡量減小溫區(qū)面積，增加溫區(qū)數(shù)量。但由于受到控制系統(tǒng)及試驗(yàn)件表面形狀的限制，溫區(qū)數(shù)量不能增加過(guò)多。

5 應(yīng)用實(shí)例

在某飛機(jī)尾段熱疲勞試驗(yàn)中，由于試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)尺寸較大(長(zhǎng)度接近6m)，而溫度要求相對(duì)較低(110℃)，且只要求環(huán)境溫度，對(duì)升溫速率沒(méi)有要求。因此，該試驗(yàn)要求的環(huán)境溫度適合采用接觸式傳導(dǎo)加熱，即利用電加熱帶接觸加熱的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

5.1 加熱方案實(shí)施

按照數(shù)值仿真結(jié)果，電阻絲間距確定為10mm，加熱帶為內(nèi)埋電阻絲的編織材料，額定電壓220V，功率密度1W/cm2。加熱采用以點(diǎn)控面的方式，試驗(yàn)件劃分為19個(gè)溫區(qū)，如圖5所示。在試驗(yàn)件表面每個(gè)溫區(qū)中部布置一個(gè)溫度傳感器作為控溫點(diǎn)控制本溫區(qū)的溫度。溫度傳感器采用K型熱電偶。在加溫和保溫過(guò)程中，控溫點(diǎn)溫度低于目標(biāo)溫度3℃時(shí)，加熱帶通電提供熱量。當(dāng)控溫點(diǎn)溫度高于目標(biāo)溫度3℃時(shí)，切斷加熱帶電源，使試驗(yàn)件溫度保持動(dòng)態(tài)平衡。

圖5 溫區(qū)劃分示意圖

為保證加熱帶與試驗(yàn)件的貼合，試驗(yàn)中采用不同長(zhǎng)度的彈性綁帶將加熱帶裹緊在圓筒型試驗(yàn)件的表面，加熱帶布置及包裹后的圖片見(jiàn)圖6。

圖6 加熱帶包裹照片

5.2 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)試驗(yàn)件加溫，最高電壓限制在60V，加溫4h后控溫點(diǎn)達(dá)到目標(biāo)溫度，各溫區(qū)溫度控制結(jié)果見(jiàn)圖7，溫度控點(diǎn)均在目標(biāo)溫度±2℃以?xún)?nèi)。垂尾部位除個(gè)別溫度測(cè)點(diǎn)因靠近加載假件溫度較低外，其他測(cè)點(diǎn)基本滿足試驗(yàn)要求。尾梁部分多個(gè)溫區(qū)測(cè)點(diǎn)的溫度均偏低，距試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)溫度差距較大。檢查后發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)件下表面，由于重力作用，加熱帶很難與試驗(yàn)件完全貼合。因此， 調(diào)試完成后對(duì)加熱帶進(jìn)行了調(diào)整， 將加熱帶外層整塊的隔熱材料替換為長(zhǎng)條帶狀隔熱材料，并在試驗(yàn)件表面裹緊，在加熱帶外層增加保溫材料，重新對(duì)尾梁部位加熱帶進(jìn)行了包裹，明顯改善了加熱方式的熱均勻性。

圖7 加溫溫度控制結(jié)果

6 結(jié) 論

在大型結(jié)構(gòu)件上采用加熱帶進(jìn)行接觸式加熱，其加熱均勻性通常很難保證。本文通過(guò)采用在加熱帶與試驗(yàn)件之間設(shè)置勻熱層、在加熱帶外側(cè)包裹隔熱材料進(jìn)行保溫、外層采用彈性綁帶將試驗(yàn)件裹緊以保證加熱帶與試驗(yàn)件的貼合等措施，明顯改善了該加熱方式的熱均勻性，并在某型機(jī)尾段結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中取得了良好的效果。