燃?xì)舛鏅C(jī)結(jié)構(gòu)熱仿真與熱分析技術(shù)研究

摘要：燃?xì)舛鏅C(jī)承受發(fā)動(dòng)機(jī)噴出的高溫燃?xì)鈳淼母邷兀苯佑绊懫淇煽啃浴１疚膶岱抡媾c熱分析技術(shù)應(yīng)用到舵機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，采用Abaqus有限元軟件，分析燃?xì)舛嬖趪娀馃g6s時(shí)，舵機(jī)主要傳動(dòng)裝置的換熱、變形及應(yīng)力情況。并提出合理的隔熱環(huán)設(shè)計(jì)方案，同時(shí)給出傳動(dòng)結(jié)構(gòu)間隙范圍，防止出現(xiàn)卡死、強(qiáng)度失效等現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：舵機(jī)；熱仿真；熱分析

1概述

舵機(jī)一般安裝在彈體的尾端，驅(qū)動(dòng)燃?xì)舛婷娴亩鏅C(jī)甚至直接安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)噴管周圍，周圍環(huán)境溫度高，溫差變化大。舵機(jī)的整體溫度分布形式直接影響其性能，甚至可能因尺寸設(shè)計(jì)不當(dāng)出現(xiàn)機(jī)構(gòu)卡死等失效現(xiàn)象。因此，對(duì)于高溫運(yùn)行環(huán)境中的舵機(jī)，必須分析度分布、結(jié)構(gòu)件的溫度應(yīng)力、變形等有效信息。

數(shù)值仿真技術(shù)在設(shè)計(jì)前期代替試驗(yàn)法，逐漸成為一種高效、低廉的輔助設(shè)計(jì)方式。R.J.Donaghy[1]等人將板模型和殼模型都等效成一維梁?jiǎn)卧ㄟ^建立混合單元模型進(jìn)行分析，仿真結(jié)果表明該等效方法在一定范圍有效。周晨[2]等將皺褶芯材夾層板與主動(dòng)冷卻相結(jié)合，采用數(shù)值仿真方法對(duì)強(qiáng)迫對(duì)流條件下的Ｖ型和Ｍ型皺褶芯材夾層板的熱力響應(yīng)進(jìn)行研究，結(jié)果表明Ｍ型相比Ｖ型皺褶結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中現(xiàn)象得到了較大緩解。王宏宏等[3]和史曉鳴、楊炳淵[4]分別以變厚度導(dǎo)彈翼面和變厚度板為研究對(duì)象，均利用Patran軟件建立有限元模型，利用Nastran分析特定加熱狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)及固有振動(dòng)特性，前者還將仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，一致性較好。GasserFaroukAbdelal[5]等人在對(duì)某衛(wèi)星的帆板結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱疲勞分析時(shí)，首先采用基于二維單元建立的有限元模型進(jìn)行溫度場(chǎng)分析，然后采用Ansys建立三維有限元模型進(jìn)行熱應(yīng)力仿真，最后計(jì)算疲勞壽命，取得良好結(jié)果。以上文獻(xiàn)表明，使用商業(yè)有限元軟件能夠解決工程中的某些熱設(shè)計(jì)或熱分析問題。

本文將熱仿真及熱分析技術(shù)應(yīng)用到燃?xì)舛鏅C(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，綜合考慮高溫燃?xì)馀c舵機(jī)、舵機(jī)內(nèi)部各零部件之間所有的傳熱、散熱方式，采用Abaqus有限元軟件中的完全耦合熱應(yīng)力分析步，分析燃?xì)舛嬖诎l(fā)動(dòng)機(jī)噴火燒蝕6s時(shí)，舵機(jī)主要傳動(dòng)裝置的換熱、變形及應(yīng)力情況。根據(jù)分析結(jié)果，提出合理的隔熱環(huán)設(shè)計(jì)方案，同時(shí)給出傳動(dòng)結(jié)構(gòu)預(yù)留間隙范圍，防止出現(xiàn)卡死、強(qiáng)度失效等現(xiàn)象。

2傳熱機(jī)理

溫差是實(shí)現(xiàn)傳熱的充要條件，只要存在溫差，就會(huì)發(fā)生熱量的傳遞。傳熱的過程一般可以分為穩(wěn)態(tài)傳熱和瞬態(tài)傳熱，穩(wěn)態(tài)傳熱是指在傳熱體系中各點(diǎn)的溫度只與其位置有關(guān)，不隨時(shí)間變化；瞬態(tài)傳熱是指?jìng)鳠狍w系中各點(diǎn)的溫度既與位置有關(guān)，又隨時(shí)間變化。根據(jù)傳熱機(jī)理不同，傳熱共可分為三種形式：熱傳導(dǎo)、熱輻射及熱對(duì)流。

3舵機(jī)主要傳動(dòng)裝置熱仿真及熱分析

3.1初始設(shè)計(jì)的熱仿真及熱分析

發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火后6s，燃?xì)舛婷娉惺芨邷厝細(xì)鉄g而溫度急劇升高。本文采用Abaqus有限元軟件進(jìn)行仿真，分析這一時(shí)間段舵機(jī)主要傳動(dòng)裝置的溫度場(chǎng)分布及位移（變形）。整個(gè)過程時(shí)間較短，并沒有達(dá)到熱平衡，因此采用瞬態(tài)分析。關(guān)注的參數(shù)包括溫度場(chǎng)、溫度應(yīng)力及位移，采用完全耦合熱應(yīng)力分析步。為了分析發(fā)動(dòng)機(jī)熄火后的情形，同時(shí)計(jì)算了5s燃?xì)舛娌辉偈軣g的情況（見圖1）。

3.1.1有限元模型

根據(jù)圖2可知，舵機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)軸作上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)軸帶動(dòng)聯(lián)桿，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)燃?xì)舛婷孀餍D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。尾噴管噴出的高溫燃?xì)獗晃踩垢糸_，但是燃?xì)舛婷嬷苯邮芷錈g。處于尾裙保護(hù)內(nèi)的結(jié)構(gòu)之間的熱傳遞主要依賴熱傳導(dǎo)，因此僅保留與傳動(dòng)軸直接相接觸的零部件，舵機(jī)其他部件均進(jìn)行簡(jiǎn)化。采用C3D8T單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，共有15396個(gè)節(jié)點(diǎn)，10801個(gè)單元，有限元模型如圖2。

燃?xì)舛婷娴牟牧鲜擎u滲銅，隔熱環(huán)的材料是高硅氧復(fù)合材料，支座、擺動(dòng)桿和聯(lián)動(dòng)桿的材料是鈦合金，齒輪和螺釘?shù)牟牧鲜遣讳P鋼。建立燃?xì)舛婷娴倪吔鐥l件：0s～1s承受高溫燃?xì)鉄g溫度升高至3000K，1s～7s保持3000K不變，8s～12s不再承受高溫燃?xì)鉄g。采用Coupledtemp-displacement瞬態(tài)分析步進(jìn)行分析。

3.1.2結(jié)果分析及改進(jìn)措施

舵軸和基座的溫度場(chǎng)分布分別如圖3和圖4，舵軸前端到末端溫度逐漸降低，舵面溫度達(dá)到3000K，舵軸溫度接近2339K。基座靠近舵面的區(qū)域溫度達(dá)到433.4K，靠近舵軸的區(qū)域溫度接近室溫。

在舵軸與基座孔接觸的同一位置處分別選取舵軸和基座上的節(jié)點(diǎn)，分別提取位移值并繪制圖5。從圖中可以看出，隨著時(shí)間的推移，二者位移均由小逐漸增大，舵軸上的節(jié)點(diǎn)位移始終大于基座上的節(jié)點(diǎn)位移。該種情況下，如果舵軸與基座之間沒有留有足夠的間隙，則舵軸可能發(fā)生卡死現(xiàn)象。

3.2改進(jìn)設(shè)計(jì)的熱仿真及熱分析

基于3.1節(jié)的分析可知，初始設(shè)計(jì)可能存在舵軸與基座卡死現(xiàn)象，因此對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行以下改進(jìn)：在舵軸與基座之間增加隔熱環(huán)、舵軸與基座之間留有一定的間隙。改進(jìn)設(shè)計(jì)如圖6所示。

改進(jìn)設(shè)計(jì)后，舵軸和基座的溫度場(chǎng)分布分別如圖7和圖8，舵軸前端到末端溫度逐漸降低，舵面溫度達(dá)到3000K，舵軸溫度接近2368K。隔熱環(huán)上靠近舵面的區(qū)域溫度達(dá)到511.5K，與基座相接觸的圓環(huán)外緣的溫度接近室溫，為305.3K（如圖9）。在6s時(shí)間內(nèi)，很少一部分熱量傳遞到隔熱環(huán)外緣。

1s～6s時(shí)舵軸外緣和隔熱環(huán)內(nèi)緣最大位移如圖10所示，二者位移均隨時(shí)間增大而增大，最大的時(shí)刻為6s時(shí)，最大位移相差0.034mm。1s～6s時(shí)基座與隔熱環(huán)上的最大位移如圖11所示，最大的時(shí)刻為6s時(shí)，最大位移相差0.0085mm。通過比較可以得出，在6s時(shí)間內(nèi)隔熱環(huán)與基座之間的相對(duì)位移非常小，發(fā)生卡滯的幾率很低；相比隔熱環(huán)與基座，雖然舵軸與隔熱環(huán)之間的相對(duì)位移更大，但是隨著溫度的升高可以“抱合”在一起轉(zhuǎn)動(dòng)，不會(huì)影響整個(gè)舵機(jī)的運(yùn)行。實(shí)際加工時(shí)，為防止隔熱環(huán)和舵軸卡死，預(yù)留間隙應(yīng)大于0.05mm。

4結(jié)論

采用Abaqus有限元軟件分析燃?xì)舛嬖诎l(fā)動(dòng)機(jī)噴火燒蝕6s時(shí)，舵機(jī)主要傳動(dòng)裝置的傳熱、變形及應(yīng)力情況。初始設(shè)計(jì)中基座與燃?xì)舛婷嬷苯咏佑|，隨著溫度升高該設(shè)計(jì)非常可能發(fā)生舵軸與基座卡死的現(xiàn)象。改進(jìn)設(shè)計(jì)中基座與燃?xì)舛嬷g增加隔熱環(huán)。隨著溫度的升高，舵軸與隔熱環(huán)可以“抱合”在一起轉(zhuǎn)動(dòng)，不會(huì)影響整個(gè)舵機(jī)的運(yùn)行。

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