基于实测的复杂结构模拟瞬态温度场仿真重建技术研究.pdf

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1、192化工机械2010控基于实测的复杂结构模拟瞬态温度场仿真重建技术研究郭崇志牛刘懿萱(华南理工大学)摘要从有限的实测数据出发，以某直升飞机降落平台的现场测试数据为例，进行了温度场重建技术研究。在所建立的几何模型基础上，探讨了对实测温度数据的分析扩展原则，利用软件进行插值得到边界温度场分布的方法，探讨了在ANSYS软件中将三维数据表读入软件并实施各个瞬时传热边界上的表参数加载方法，最终得到了复杂边界在时变温度场下的瞬态热分析结果，重现了测试过程中直升飞机平台的瞬态温度场演变过程。关键词温度场仿真瞬态热分析火灾中图分类号TQ038．2文献标识码A文章编号0254-60

2、94(2010)02-0192-06结构在时变高温作用下的瞬态温度场是进一步研究高温动态热应力、热疲劳和热冲击、蠕变以及应力松弛等问题的基础。对于复杂结构，可以肯定无法通过解析形式的数学方法(微分方程求解技术)来得到瞬态温度场分布，而利用数值离散化技术进行分析的有限元软件，也需要在有限元离散化模型I-_给出温度场的边界条件或起始条件。对于利用软件进行的复杂结构瞬态热分析，边界条件本身就已经很复杂，例如当时间变化分成若干段时，每段时间的起止点上复杂结构温度场(空间分布)必须要给定，而如果只是采用测试数据，则初始条件或段间起始条件几乎无法给出。由于与热应力(应变)测试相

3、比，温度测试的成本更低，更便于实施，因此现有技术通常以现场温度测试的形式来实施，例如对结构的温度变化过程进行预先分析，从而确定测试方案，通过布点进行有限测点上温度变化的时间历程测试，然后进一步研究高温过程的材料性能(热应力、蠕变及疲劳等)变化，最后利用热一结构耦合分析解决安全分析和评估或失效后果预测等重大问题。然而，如何利用有限的温度测试数据来描述或重建数值仿真分析所需要的离散化边界条件和起始条件，是后续性能分析是否得以进行的关键，从瞬态分析的角度看，至少在分析的时间范围内，起始温度场和终了时刻的温度场(空间分布)应是已知的。由此可见，通过有限的实测数据重新构建温度

4、场，从而根据计算区域温度边界上给定时刻的温度分布来估算温度分布在计算区域内的时空变化，从而进一步估算其他性能变化(热应力、蠕变及疲劳等)，是结构高温性能分析最基础的一个步骤。1重建温度场的要素根据实测的有限数据重建温度场，应涉及到下列考虑因素：a．在实施温度测试时，应充分考虑后续数值模拟技术的要求，尤其是边界条件的要求，在布置测点时，既要考虑主要的高温影响区域，也要考虑结构几何形状和数值分析的边界条件；b．边界布点要考虑空间传递的因素以及对称性条件，尽量降低不必要的测点数目；c．考虑热过程的进展来布置测点，在高温集中作用区域应尽量多布置点，而在边缘区域少布·郭崇志，

5、男，1956年11月生，副教授。广东省广州市，510640。第37卷第2期化工机械193置测点。此外还应注意，现场实测得到的时变温度数据只表达了指定测点的温度随时间的变化，由于实际布点是有限的，因此某时刻所有测点的测试数据还不能视为温度场的数据，为了得到以测点数据为基础的近似温度场的分布，需要通过已知的测点数据插值得到其他位置的温度数据。笔者利用数据分析软件Origin对飞机平台的各个测试表面的数据进行矩阵插值计算，插值计算依据的温度均为实测温度。2燃烧测试平台直升飞机模拟燃烧测试平台的尺寸为12m×12m(为实际平台的1／4)，该平台甲板是由表面、底面及侧面组成的

6、三维空间。用一个位于指定位置的油箱(模拟油槽)，将150～200L的航空燃油注入平台指定位置，模拟直升飞机平台的火灾现场，燃油自然燃烧直至熄灭。考虑到指定的注油燃烧位置与可能产生的高温区的关系，以及后续模拟分析的需要，在平台高温区和边缘区域均布置了测试点，其中上表面有25个测试点，底面有11个测试点。作为数值模拟重建温度场的关键，需要通过测试获得可靠的边界(或初始)温度分布，因此上述测试的全部目的，就是为了获得重建结构温度场的(分段)起始或终止时刻的边界条件(边界上的温度分布)。由此可以确定，重建温度场的原则之一就是尽可能获得可靠的边界测试数据以便表达数值分析中所需

7、要的边界(起始或终止)条件。3边界温度场的数据重建根据温度场重建的要求，建立数值计算的边界条件需要从测试获得的边界测点温度数据中选择进行数据插值的顶点，以便计算得到完整的数值计算边界条件。欲保证已知点和由已知数据点插值得到指定位置上的未知温度变化数据的数据精度，首先要保证各点插值温度峰值的准确性。为此，在实测测温点输出的燃烧阶段平台温度变化的时间历程数据中，通过分析寻找曲线变化的峰值点，然后将上述峰值点数值及其对应时刻记录下来，共有27个峰值温度时刻。下面以燃烧过程达到最高温度的对应时刻(17：14：31)测试数据为例，说明将有限的测试数据扩展为整个边界上温度数