CAE-天线罩的温度场及应力场分析

摘要

本报告用ANSYS软件分析了某结构的瞬态非线性温度场，以及在瞬态温度、轴向压力和横向力同时作用下的结构强度。

温度场计算与结构强度计算用同一个有限元模型，利用ANSYS的热—结构耦合功能，直接将温度场的分析结果作为结构分析的输入温度，同时叠加轴向力与横向力的作用,进行热应力和热变形分析。计算结果准确反映了结构的瞬态温度分布状况和受力状况，为改进结构的隔热设计和增强结构的承载能力，提供可靠的理论依据。

1 前言

某结构在工作期间，同时受到瞬态气动热、轴向力和横向力的作用。结构既要隔热，使得内部的温度在一定范围之内，以保证设备的正常工作，又要能够承受瞬态复合外力作用，使得各点的应力和变形都较小，保证结构安全可靠。因此，在结构设计过程中，瞬态温度场和瞬态强度都必须进行校核。

由于结构和载荷都关于垂直面对称，因此分析时取结构的一半。结构为薄壁件，但要考虑沿厚度的温度分布，因此整个有限元模型全部采用3D体单元。

利用ANSYS的热—结构耦合功能，在整个计算过程中用同一个有限元模型。温度分析时的单自由度单元，在结构分析时转换成相应的结构单元。瞬态温度场分析结果直接作为结构强度分析的输入温度，保证了数据的准确传递。

在所有的时间点，瞬态温度应变与轴向力和横向力引起的应变叠加，得出结构上各点的瞬态复合应力和位移。

本报告中利用ANSYS计算的瞬态温度场与瞬态复合应力和位移，准确地反映了结构上各点的载荷状况，为结构的改进提供了可靠的理论依据。同时也说明了ANSYS耦合分析的简便性和准确性。

2 结构

2.1 结构形状

整个结构的形状如图1所示。外表面由前部的2段抛物面和后部的1段直锥组成。

图1 结构的几何形状

整体坐标如图1中所示。坐标原点位于顶部抛物面的理论原点处。X轴为结构的对称轴，由顶点指向后部。Y轴在结构的对称面内，垂直指向上方。

几何尺寸的长度单位为毫米（mm）。

2.2 边界条件

热边界：结构的外表面受气动热，内表面和后部端面绝热。

结构边界：后端面固支。

3 材料参数和载荷参数

3.1 材料参数

材料的热物性参数和机械性能参数列入表1～表5中。

复合材料TX01头锥，材料为表1。

复合材料TX02头罩，材料为表2。

TX05舱段蒙皮，材料为表3。

TX03,TX04,TX,06材料为表4。

TX07隔热材料, 材料为表5

表 1

表 2

表 3

表 4

表5

3.2 外力载荷

在结构上作用了轴向力和横向力。

在X=450mm的整个横截面上，均匀作用轴向力，方向向后。如表6。

表6

轴向力(N) 2650 2660 0

在X=343mm的横截面上，均匀作用横向力，方向垂直向上。如表7所示。

表7

时间(S) 0 7.5 70 78.1 120

横向力(N) 550 1750 1750 4140 450

4 有限元模型

全部采用3D体单元。有限元模型如图2所示。

图2 结构的有限元模型

5 计算结果

5.1 温度场

在一系列截面内壁的温度时间曲线如图3所示。

(a) (b)

图3 内壁温度瞬态曲线

图3 中的各条曲线的标示，相应于一定的X坐标处的截面位置。如表8。

表8

标示40in 100in 500in 600in 647in 747in X坐标mm 40 100 500 600 647 747

从图3可看出，在110秒前后，内壁面温度最高，在210℃～290℃之间。110秒、40秒、80秒时整体结构的温度分布分别见图4－图6。

图4 时间为110秒时结构的温度分布图图5 时间为40秒时结构的温度分布图图6 时间为80秒时结构的温度分布图

5.2 结构分析结果

在结构顶点、X坐标为500mm和747mm截面的最上方点处，分别给出了X方向和Y方向的位移曲线。分别为图7～图9。

在X坐标为40mm、641mm、和922mm的截面位置，给出了最下方点和最上方点的Von-Mises等效应力曲线。为图10～图12。

图7 顶点位移图8 500mm截面上点的位移

图9 747mm截面上点的位移图10 40mm截面上点的应力

图11 641mm截面上点的应力图12 922mm截面上点的应力从计算结果可以看出，轴向位移为负值，沿轴向伸长，而且轴向位移大于横向位移。说明结构的变形主要是由热膨胀引起的。

最大轴向位移2.35mm，最大横向位移1.4mm。

在图10～图12中，标示上的“t”表示最上部的外表面点，“b”表示最下部的外表面点，应力单位为Kpa。时间为130、40、80、110秒时整体结构的应力分布分别见图13－图16。

图13 在时间为130秒时结构的Mises应力分布图

图14 时间为40秒时结构的Mises应力分布图图15 时间为80秒时结构的Mises应力分布图

图16 时间为110秒时结构的Mises应力分布图

6 结论

ANSYS准确地计算分析了结构的瞬态温度场，以及瞬态应力和位移。其耦合分析功能简便精确。

另外，当材料参数、载荷参数和结构变动时，计算结果都会发生相应的改动。