田 敏

(中國飛機強度研究所，陜西 西安 710065)

1 引 言

結(jié)構(gòu)熱試驗是測試飛行器防熱/隔熱的主要手段。結(jié)構(gòu)熱試驗過程中使用的加熱設(shè)備可分為接觸式加熱器(亦稱加熱帶)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)式加熱試驗之中[5]。

在穩(wěn)態(tài)熱試驗中，接觸式加熱是一種簡便易行的加熱方式，特別適用于試驗件表面同時承受均布壓力和溫度載荷的熱力聯(lián)合試驗。由于電熱絲發(fā)出的熱源是一種線狀熱源，直接接觸試驗件會造成試驗件的溫度不均勻，特別是對熱導(dǎo)率較低的復(fù)合材料試驗件，可能會造成試驗件過熱損傷。因此，必須對接觸式加熱帶進行優(yōu)化設(shè)計。

2 接觸式加熱器功率設(shè)計

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、傳熱過快，或直接與試驗件表面接觸等，將會造成試驗件過熱損傷。因此，在試驗件與加熱帶之間加裝勻熱材料，使與試驗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，通過輻射方式把熱量傳給勻熱層，勻熱層再把熱量通過熱傳導(dǎo)方式傳給試驗件。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為時間，s。

2.1 勻熱層確定原則

勻熱層材料選擇能夠耐受試驗溫度的柔性材料。根據(jù)試驗溫度高低，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

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

電阻絲加熱帶的面功率[7]為：

(2)

式中，W為加熱帶設(shè)計功率，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 計算方法

應(yīng)用MSC.Patran軟件對試驗件和勻熱層按照500mm×500mm的平板進行建模。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，計算試驗件表面溫度。

如果在試驗規(guī)定的時間內(nèi)，試驗件表面溫度均勻且達到試驗溫度，則線狀熱載荷的間距即為電熱絲的設(shè)計絲距；如不滿足溫度均勻性條件或在規(guī)定的時間內(nèi)達不到試驗溫度，則調(diào)整間距重新計算。

3.2 計算工況描述

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

某試驗機體蒙皮的厚度只有0.6mm，計算中采用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，在其他坐標方向按照5mm進行等分，共有節(jié)點40804，體單元30000。在機體內(nèi)面采用3W/m2的對流邊界，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，計算時間為3600s。

3.3 計算結(jié)果

對于第一種工況，在1726.5s時，結(jié)構(gòu)表面溫度111℃，溫度云圖見圖1，可以看出，溫度是均勻的。對于第二種工況，在2366.5s時，結(jié)構(gòu)表面溫度110℃，溫度云圖見圖2，可以看出，溫度是均勻的。對于第三種工況，在3102.5s時，結(jié)構(gòu)表面溫度110℃，溫度云圖見圖3，可以看出，溫度是均勻的。對于第四種工況，在3614.5s時，結(jié)構(gòu)表面溫度103℃，溫度云圖見圖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，這必然要耗費大量精力做重復(fù)性操作。同時，腹板角度變化是在滿足ITPS承載能力前提下的尋優(yōu)過程，而尋優(yōu)是一個參數(shù)迭代與循環(huán)計算的過程，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。

為了實現(xiàn)ITPS有限元建模的自動化和高效化，采用MSC.Software公司提供的二次開發(fā)語言PCL的參數(shù)化建模技術(shù)[8-10]。PCL(Patran Command Language)是一個模塊化結(jié)構(gòu)的編程語言和用戶自定義工具，提供了大量的內(nèi)置庫函數(shù)。使用PCL語言，用戶可以很方便地編制MSC.Patran的二次開發(fā)程序，擴展MSC.Patran的功能。

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

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

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影響加熱效果。

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

(3)試驗件為結(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))會導(dǎo)致試驗件不同區(qū)域表面溫度存在差異。

(4)熱試驗中采用“以點代面”的控制方法，可能會造成溫度不均勻。

4.2 解決方法

(1)在加熱帶與試驗件之間鋪設(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，使試驗件接觸到的熱量相對均勻。

(2)在進行試驗時，用隔熱材料將試驗件開口密封，使試驗件自身成為一個相對密閉的結(jié)構(gòu)，減少空氣對流。

(3)延長加熱時間，延長保溫時間。在加熱過程中，使用低電壓，降低加熱帶功率，拉長加熱時間。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，拉長加熱時間，使勻熱片和試驗件均充分傳熱，將試驗件緩慢加熱至50℃，保持溫度10～30min(保溫時間可根據(jù)試驗時監(jiān)測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，直至達到目標溫度。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)及試驗件表面形狀的限制，溫區(qū)數(shù)量不能增加過多。

5 應(yīng)用實例

在某飛機尾段熱疲勞試驗中，由于試驗件結(jié)構(gòu)尺寸較大(長度接近6m)，而溫度要求相對較低(110℃)，且只要求環(huán)境溫度，對升溫速率沒有要求。因此，該試驗要求的環(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實現(xiàn)。

5.1 加熱方案實施

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。加熱采用以點控面的方式，試驗件劃分為19個溫區(qū)，如圖5所示。在試驗件表面每個溫區(qū)中部布置一個溫度傳感器作為控溫點控制本溫區(qū)的溫度。溫度傳感器采用K型熱電偶。在加溫和保溫過程中，控溫點溫度低于目標溫度3℃時，加熱帶通電提供熱量。當(dāng)控溫點溫度高于目標溫度3℃時，切斷加熱帶電源，使試驗件溫度保持動態(tài)平衡。

圖5 溫區(qū)劃分示意圖

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

圖6 加熱帶包裹照片

5.2 試驗結(jié)果

對試驗件加溫，最高電壓限制在60V，加溫4h后控溫點達到目標溫度，各溫區(qū)溫度控制結(jié)果見圖7，溫度控點均在目標溫度±2℃以內(nèi)。垂尾部位除個別溫度測點因靠近加載假件溫度較低外，其他測點基本滿足試驗要求。尾梁部分多個溫區(qū)測點的溫度均偏低，距試驗?zāi)繕藴囟炔罹噍^大。檢查后發(fā)現(xiàn)，試驗件下表面，由于重力作用，加熱帶很難與試驗件完全貼合。因此， 調(diào)試完成后對加熱帶進行了調(diào)整， 將加熱帶外層整塊的隔熱材料替換為長條帶狀隔熱材料，并在試驗件表面裹緊，在加熱帶外層增加保溫材料，重新對尾梁部位加熱帶進行了包裹，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)件上采用加熱帶進行接觸式加熱，其加熱均勻性通常很難保證。本文通過采用在加熱帶與試驗件之間設(shè)置勻熱層、在加熱帶外側(cè)包裹隔熱材料進行保溫、外層采用彈性綁帶將試驗件裹緊以保證加熱帶與試驗件的貼合等措施，明顯改善了該加熱方式的熱均勻性，并在某型機尾段結(jié)構(gòu)試驗中取得了良好的效果。