楊志斌，秦 強，曲林鋒

(1.中國飛機強度研究所，陜西 西安 710065；2.沈陽飛機設(shè)計研究所，遼寧 沈陽 110035)

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平板加熱虛擬試驗

楊志斌1，秦 強1，曲林鋒2

(1.中國飛機強度研究所，陜西 西安 710065；2.沈陽飛機設(shè)計研究所，遼寧 沈陽 110035)

針對平板加熱工程問題，在MSC.Patran環(huán)境中，應(yīng)用熱流計算公式，通過PCL的二次開發(fā)，實現(xiàn)了全參數(shù)設(shè)計的平板加熱試驗數(shù)值仿真，以此進行結(jié)構(gòu)熱強度虛擬試驗。通過改變燈管與反射板的距離和燈管與試驗件表面的距離，計算出平板試驗件的表面熱流。采用平板加熱虛擬試驗，可以對石英燈加熱裝置進行優(yōu)化設(shè)計，為加熱器的功率選取、加熱器與試驗件的距離設(shè)定提供理論參考。

熱流；平板加熱器；PATRAN；PCL；二次開發(fā)

1 引 言

對于溫度在1200℃以內(nèi)的熱試驗，國內(nèi)外通常采用石英燈陣列作為加熱裝置，這是由石英燈的特性決定的。石英燈具有熱慣性小、電控性能優(yōu)良、發(fā)熱功率大、體積小、可組成不同尺寸和形狀加熱裝置的優(yōu)點，既適用于小型熱試驗，也適用于大型全尺寸的結(jié)構(gòu)熱試驗[1-2]。

文獻[3]通過理論和試驗相結(jié)合的方法，對石英燈加熱器的放大倍數(shù)、時間常數(shù)等主要特性參數(shù)進行了研究。文獻[4]通過對紅外燈電流-電阻相關(guān)分析和數(shù)值擬合，建立了紅外燈的功率計算模型和紅外燈燈絲溫度計算模型以及紅外燈石英玻璃管的溫度計算模型，給出了紅外燈在不同電流下光譜分布模型。文獻[5]基于蒙特卡羅方法，對單一石英燈加熱器內(nèi)部熱流分布進行了數(shù)值模擬仿真，同時對燈與燈間距、燈高度、反射板高度以及側(cè)擋板高度進行了詳細分析。

本文基于文獻[1]提供的石英燈陣列工程計算方法，建立了虛擬試驗平臺，對石英燈陣列應(yīng)用MSC.Patran的PCL[6]二次開發(fā)語言進行全參數(shù)化設(shè)計，對主要的PCL函數(shù)進行了描述，給出平板試驗件理論計算的熱流曲線和云圖顯示結(jié)果。通過調(diào)節(jié)試驗件表面到反射板距離和試驗件表面到試驗件表面的距離，進行了一系列計算，并與試驗結(jié)果進行了比較，為更合理優(yōu)化加熱器內(nèi)部熱場分布提供理論參考，同時，可以大大縮短石英燈熱試驗裝置的設(shè)計周期，提高熱試驗質(zhì)量。

2 PCL程序設(shè)計過程

應(yīng)用MSC.Patran的PCL語言，可以方便地完成創(chuàng)建用戶界面控件、讀寫MSC.Patran數(shù)據(jù)庫等操作。并且，它提供了豐富的菜單庫和大量的有限元處理函數(shù)，供用戶將自主開發(fā)的分析程序集成于MSC.Patran系統(tǒng)中。PCL是MSC.Patran開放性的主要體現(xiàn)。

2.1 PCL類

PCL類用于編制用戶界面，由PCL函數(shù)組合而成。在PCL語言中，用Classname.Fname的方式來調(diào)用類中的某一函數(shù)。PCL類的結(jié)構(gòu)如下[7]：

CLASS classname

CLASSWIDE declarations. . .

//定義在整個類范圍中使用的變量

FUNCTION init ( )

//初始化函數(shù)，該函數(shù)必須包括下述兩個變量

Declarations

Statement

END FUNCTION

FUNCTION display( )

//顯示函數(shù)

Declarations

Statement

END FUNCTION

FUNCTION fname( ARGLIST )

//其它函數(shù)

Declarations

Statement

END FUNCTION

END CLASS / *類定義結(jié)束*/

2.2 自定義函數(shù)與菜單

PCL的自定義函數(shù)格式如下：

FUNCTION Fname( ARGlist )

Declarations

Statement

END FUNCTION

自定義菜單類的示例如下：

CLASS usermenu

FUNCTION init( )

WIDGET menubar,menu,item1

Menubar = uil_primary.get_menubar_id( )

//建立菜單

Menu = ui_menu_create(menubar, @

"usermenu", "your usermenu name")

//建立菜單項1

item1 = ui_item_create @

(menu,"1","your usermenu item1",false)

END FUNCTION

FUNCTION usermenu( item_name )

STRING item_name[]

SWITCH ( item_name )

CASE( "1" )

Userfunc(arglist)

//調(diào)用菜單項1處理函數(shù)

END SWITCH

END FUNCTION

END CLASS

對于編寫的PCL函數(shù)，在涉及菜單和窗體時，一般選取MSC.Patran提供的參數(shù)，這些參數(shù)只有通過CPP編譯才能得到真正的界面數(shù)據(jù)。CPP編譯方法為：在命令提示符環(huán)境，進入PCL程序的當前子目錄，鍵入下面一行參數(shù)：

CPP -id fname.pcl fname.cpp

2.3 自定義初始化文件

MSC.Patran運行時，首先要執(zhí)行init.pcl文件，該文件在MSC.Patran的安裝目錄下，可修改該文件，加入自定義函數(shù)。如加入語句：

!!INPUT usermenu.pcl

//加載usermenu.pcl文件

ui_exec_function("usermenu", "init" )

//調(diào)用usermenu的init函數(shù)建立菜單

當MSC.Patran啟動后，用戶就能直接訪問菜單，并調(diào)用相應(yīng)處理函數(shù)。

3 平板加熱虛擬試驗流程

3.1 理論描述

將典型的熱測試裝置理想化為圖1所示的加熱器裝置，N個燈管平行排列，距離平板表面的距離為D；燈管距離坐標原點X=0的距離為Y(i)，i=1～N。認為燈管是無限長(垂直于插圖平面)，被放置在反射率為U1(反射輻射和入射輻射的比)的反射器后面，反射器與構(gòu)件平行，并且尺寸是無限長的。反射率為U2的防護罩位于參考平面X=0的位置。參數(shù)的定義見表1。

圖1 平板加熱器結(jié)構(gòu)示意圖

參數(shù)名物理意義數(shù)據(jù)類型單位D燈到平面的距離實型cmR燈到反射器的距離實型cmU1反射率實型U2防護罩的反射率實型M熱流計算點數(shù)整型N燈管個數(shù)整型X0計算時X的初始值實型cmXMAX計算時X的終止值實型cmY(N)燈管到防護罩的距離實型數(shù)組cmWATT燈的輸出功率實型kW

熱流計算公式為：

(1)

公式(1)為英制單位，通過單位換算改為國際單位制：

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

公式(3)是直接入射得到的正交平面熱流值；公式(4)是來自平行反射器U1；公式(5)是從反射器U2得到的平面熱流值；公式(6)是從反射器U1和U2共同得到的熱流。

3.2 平板加熱器全參數(shù)化設(shè)計

根據(jù)平板加熱器的參數(shù)形式，設(shè)計了參數(shù)輸入菜單，圖2顯示了下拉式參數(shù)菜單。主要的PCL函數(shù)是：

uil_primary.get_menubar_id()

//得到MSC/PATRAN菜單標識號

ui_menu_create()

//創(chuàng)建菜單

ui_cascadeitem_create()

//創(chuàng)建菜單條目

ui_item_create()

//創(chuàng)建子菜單

ui_exec_function()

//顯示菜單條目

圖2 平板加熱器虛擬試驗

3.3 平板加熱器的參數(shù)輸入窗體

根據(jù)平板加熱器的參數(shù)描述，應(yīng)用MSC.Patran的PCL語言編寫了輸入窗體(見圖3)。該程序需要應(yīng)用MSC.Patran提供的窗體框架定義(appforms.p，appstrings.p，uiforms.p)，同時，所編寫的PCL程序需要應(yīng)用CPP編譯轉(zhuǎn)換為CPP程序，以此就包含了窗體框架定義參數(shù)。主要的PCL函數(shù)是：

ui_form_create()

∥建立窗體

ui_labelicon_create()

//建立標識符

ui_databox_create( )

//數(shù)據(jù)輸入

ui_form_hisplay( "Flat_heater" )

//顯示窗體

ui_form_hide( "Flat_heater" )

//隱藏窗體

ui_writec()

//消息輸出

ui_wid_get(databox1_id,"VALUE",d)

//獲取輸入數(shù)據(jù)

圖3 平板加熱器的參數(shù)輸入菜單窗體

3.4 繪制幾何圖形

幾何圖形的繪制是應(yīng)用MSC.Patran的PCL語言，按照圖3輸入的幾何參數(shù)進行的，其繪制的幾何圖形見圖2的Flat_Heater圖框，其中粗線為熱流計算有效區(qū)域。主要的PCL函數(shù)是：

ga_group_create("Current_Flat_Heater")

//新建組

ga_group_current_set("Current_Flat_Heater" )

//獲取當前組

sgm_const_curve_2d_circle_v2()

//畫圓

sgm_transform_translate()

//復(fù)制圓

asm_const_line_2point()

//畫線段

3.5 進行熱流計算

按照理論公式(1)以參數(shù)化方式編程，英制單位轉(zhuǎn)換為國際單位，進行動態(tài)計算，得到試驗件有效區(qū)域的表面熱流計算結(jié)果。

3.6 繪制熱流曲線

根據(jù)計算結(jié)果，按照MSC.Patran所需要的數(shù)據(jù)格式繪制熱流曲線，繪制的曲線見圖2的Heat_Flu_Curve圖框，主要的PCL函數(shù)是：

xy_curve_data_file_get( @

"platheater.xyd", "Heat_Flux", 1 )

xy_curve_func_set( @

"Heat_flux", "Spline" )

xy_curve_symbol_color_set( "Heat_Flux", 3 )

xy_curve_symbol_size_set("Heat_Flux", 3 )

xy_curve_thickness_set( "Heat_Flux", 2 )

xy_curve_display_symbol_set(@

"Heat_Flux",TRUE)

3.7 繪制熱流云圖顯示

平板試驗件云圖顯示應(yīng)用了MSC.Patran的PCL函數(shù)fem_verify_display，其參數(shù)為：

default_group，缺省組名，為字符參數(shù)；

amin，平板試驗件的最小熱流，為實型參數(shù)；

amax，平板試驗件的最大熱流，為實型參數(shù)；

adelt，平板試驗件的熱流增量，為實型參數(shù)。

熱流云圖顯示結(jié)果見圖2的熱流云圖顯示圖框。

4 實例計算

對于本問題，改變燈管與反射板的距離而其它參數(shù)不變，選取了9種尺寸，熱流曲線比較見圖4。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，平板試驗件的熱流與燈管到反射板的距離成反比關(guān)系，即：燈管與反射板的距離越大，平板試驗件的熱流越小，反之亦然。

圖4 試驗件表面熱流隨燈管到反射板距離的比較曲線

為了進一步比較，還改變燈管與試驗件表面的距離而讓其它參數(shù)不變，選取了10種尺寸，熱流曲線比較見圖5。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，平板試驗件的熱流與燈管到試驗件表面的距離成反比關(guān)系。

隨著燈管間距的增大，平板試驗件表面熱流則近似于正弦曲線變化，燈管正下方對應(yīng)正弦曲線峰值，相鄰燈管中間對應(yīng)的則是正弦曲線谷值。

圖6給出了理論計算與某熱試驗結(jié)果對比曲線?？梢钥闯觯?通過多次計算設(shè)計的試驗裝置及選取適當?shù)募訜崞?，試驗測試結(jié)果與理論計算結(jié)果非常接近。

圖5 試驗件表面熱流隨燈管到試驗件表面距離的比較曲線

圖6 理論計算與試驗結(jié)果對比

5 結(jié) 論

應(yīng)用結(jié)構(gòu)熱強度虛擬試驗技術(shù)，可以大幅度地

節(jié)省地面熱模擬驗證試驗經(jīng)費，具有廣闊應(yīng)用前景。該成果也可以廣泛應(yīng)用于航空航天器型號的設(shè)計、制造與維護，將顯著提升我國高超音速飛機設(shè)計、分析和試驗驗證的水平，對于加快我國新機的研制、提高飛機的性能、保證使用的安全都具有重要的意義。

[1]Roger A. Fields ,Andrew Vano.Flight Reseurch Center Edwards, Calis.Evaluation of an infrared heating simulation of amach 4.63 flight on an x-15 horizonal stabilizer[J]. NASA technical Report,TND-5403.

[2]蔣軍亮,成竹,楊志斌.飛行器燃油系統(tǒng)氣動熱試驗與數(shù)值分析研究[J].強度與環(huán)境,2011,38(4):35-31.

[3]崔占中,王樂善.石英燈加熱器的熱特性研究[J].強度與環(huán)境，2004,31(3): 40-44.

[4]劉守文,裴一飛,孫來燕.航天器真空熱試驗用紅外燈光譜分布研究[J].宇航學(xué)報, 2010,31(1): 254-258.

[5]王智勇,黃世勇,巨亞堂.石英燈輻射加熱試驗熱流分布優(yōu)化研究[J].強度與環(huán)境,2011,38(2):18-23.

[6]MSC Software.Patran PCL reference[Z].2004.

[7]楊志斌.應(yīng)用PCL開發(fā)溫度場分析前后置處理系統(tǒng)[J].航空計算技術(shù),2010,40(1):90-93.

Virtual Test of Flat-Plate Heater

Yang Zhibin1, Qin Qiang1, Qu Linfeng2

(1.Aircraft Strength Research Institute of China, Xi′an 710065, Shaanxi, China;2.Shenyang Aircraft Design & Research Institute, Shenyang 110035, Liaoning, China)

Aiming at the engineering problems of flat-plate heater, heat flux formulas are used to simulate the test value of flat-plate heater by PCL secondary development in MSC.Patran, so the virtual test of structural thermal strength comes true. The surface heat flux of flat-plate heater is calculated by changing the distance between lamp and baffle-board and the distance between lamp and the surface of specimen. Entire parameters design is availability for providing theoretic reference for test device design and power selection of heater.

heat flux; flat-plate heater; MSC.PATRAN; PCL; secondary development

2016-08-10

楊志斌(1962-)，男，陜西澄城人，高級工程師，主要研究方向為飛行器熱結(jié)構(gòu)分析。

TK122

B

10.3969/j.issn.1674-3407.2016.03.007