超高温环境下航天器数据记录器防热结构设计_张燕

式中 , qx 是热传导 率的 X 分量 ;K 是介质的 热传导
率 ;A 是面积 ;TX 是温度梯度 。而负号表示热量沿温 度降低的方向传递 。
本研究中存储器的初始温度为 20 ℃, 在数据采集 完成后 , 设定仿真环境 ———将整个结构突然放 置于 1 100 ℃的高温下 ;计算方法 :在存储器结构各层材料中 各设定一个节点 , 用牛顿冷却定律和傅里叶定律列出 热平衡方程 , 计算出各节点温度 。
材料
密度(kg/ m3) 导热系数(W · m -1 · K -1) 比热(J/ KG ℃)
炮钢 紫铜 铜 石棉 毛毡 锯木 屑 空气 铝 镍 软木 玻璃 丝 铅
7 900 8 000 8 800 60 0 30 0 20 0 1 .29 2 700 8 900 16 0 26 0 11 400
1 6 .3
57 .816 ℃以下 , 存储器部分工作正常 。 再通过比较软 小的材料尺寸可迅速地使内部温度降低 , 达到隔热效
件仿真与有限元分析理论计算的结果 , 得出本研究设 果 , 而改变相同尺寸的导热系数大的材料时候 , 也会很
计的壳体可以在 1 100 ℃高温下有效地工作 。
快使整体温度增大 。 为满足存储器轻便 体积小等要
T1
20
T2
20
T3
20
T4 = 20
T5
20
T6
20
T7
1120
模型共由六个底面直 径与高相等的 圆柱套接而
成 , 六个圆柱体共中心 。 图 3(a)为沿轴心的水平切面 图 , 上面标有各种材料层的厚度 ;图 3(b)为整体模型 图(每两个圆柱形之间的空隙填充一种不同的材料 , 最 里层圆柱体 为存储器 部分), 其尺 寸与图1的 尺寸相
3 仿真结果及分析
图 4 是试验过程中验证的适合用来做存储器壳体 的模型仿真结果及参数 。
图 4(a)列出了五组温度与时间的函数关系 , 分别 为五次改变模型中不同材料或材料的厚度仿真后 , 取 接近存储器的钢层上的某一节点 , 得到的温度随时间 的变化曲线 。可以看出 , 这五组试验中 , 经过半小时 , 钢层的温度都是小于 100 ℃的 , 所以均适合用来做存 储器壳体 。图 4(b)是本研究所选用的材料参数列表 。
=K i 和 li
Ai
=2 πr2i
+4πri li
分别代入矩阵
用 MA T L AB 矩阵公式进行计算 , 各层厚度取值(从里
到外)为 :存 储器 层 (23 mm ), 钢(3 mm ), 毛 毡 (4
mm), 钢(8 m m), 空气(30 mm), 铝(8 mm)。 计算结
果如下 :
T1 T 2 T 3 T4 T 5 T 6 T7 =
q =U A(T i+1 -T i)
单元 6 的稳态热效应遵守牛顿冷却定律 。当运动中的
A1U 1
-A1U 1
0
0
-A1U 1 A1U 1 +A2U2
-A2 U2
0
0
-A2U 2
A2U 2 +A3U 3
-A3U 3
0
0
-A3 U3
A3U 3 +A4U 4
0
0
0
-A4U 4
0
0
0
0
0
0
0
0
将参数U i
· 40 ·
图 2 热在介质中的传 递
qx =-k A
T X
2009 年 3 月 25 日第 26 卷第 2 期
张 燕 等 : 超高温环境 下航天器数据 记录器防热结构设计
T eleco m Pow er T echnology M ar .25, 2009 , V ol .26 N o .2
(30)、 炮钢(8)、毛毡(8)、炮钢 (3);
试 验 二 :铝 (10)、软 木
(40)、炮钢(10)、毛毡(10)、炮
钢(3);
试 验 三 :铝 (10)、空 气
(30)、紫铜(20)、石棉(20)、炮
钢(3);
试 验 四 :铝 (8)、 空 气
(30)、炮钢(8)、石棉(20)、炮钢
(3);
65 38 3 0 .15 0 .1 0 .07 0 .027 7 .44 88 0 .043 0 .78
35
(b)材料参数
5 02 3 94 41 .2 0 .26 6
2 87 5 44 49 .5
13 .4
图 4 模型仿真结果及参数
五组试验各自建立模型所
采用的材料及厚度(m m)分别
为:
试 验 一 :铝 (8)、 软 木
根据节点 i 和 i +1 的距离 L(单元的长度)和它们 各自的温度 Ti 和 T i+1 , 可将方程写成如下形式 :
q = kA(T i+1 -T i) l
在热传递学中
,
人们普遍将
k l
称为热传递系数
U
,
即通常所说的 U 因 子 , 它 表示单位 面积上的 热传递
量 , 单位是 Bt u/ h .ft 2 .F , 它是热阻力的倒数 , 因此 :
性 ——— 即壳体结构在超高温下工作的可行性 。
关键词 :壳体 ;记录器 ;存储器 ;超高温 ;仿真
中图分类号 :V 416
文献标识码 :A
Design of T hermal Structure for Spacecraft Data Recorders U sed in Ultra-H igh-T emperature Environm ent
图 1 存储器外壳设计有限 元模型
1 理论分析各层所设节点温度
在许多实际工程问题中 , 一般不能得到精确解 , 这 要归因于微分方程组的复杂性 , 以及难以确定的边界 条件和初值条件 。为此我们常常借助数值方法来求近
基金项目 :国家自然科学基金(基金编号 :50424507) 收稿日期 :2008-12-06 作者简介 :张 燕(1982-), 女 , 湖南 岳阳人 , 在 读硕 士研 究生 , 研究方向 :集成电路与系统集成设计 。
图 3 模型建立和网格划分
· 41 ·
2009 年 3 月 25 日第 26 卷第 2 期
T eleco m Po wer T echnolog y
M ar .25, 2009 , V ol .26 N o .2
同 ;图 3(c)为仿真时切面的网格划分 , 采用的是每个 圆周分为 80 等分 。
Z HA N G Yan, L IU Wen-yi (Electro nic and Compute r Science College , N or th U niv ersity of China , Taiyuan 030051, China)
Abstr act:By using A N SYS softw are , the temper ature distr ibution o f data memory shell is simulated af te r the date memo ry has w o rked under 1 100 ℃ for half a n hour .T his paper intr oduces ho w to desig n the shell of data recorder to enable the data memory be reclaimed effec tively .T hrough the direct method o f finite element analysis, the temperature calculated ma trix equatio ns fo r the no des in all kinds o f materials a re presented .T he tempe rature fo r the nodes is calculated by M A T L AB softw are .T he n the result is co mpa red w ith the result simulated by A NS YS sof tware to make sur e the co rrectness o f simulation result .T hat is whether shell structure ca n w or k under ultra-hig h tempe rature .
2009 年 3 月 25 日第 26 卷第 2 期
文章编号 :1009-3664(2009)02-0040-04
T eleco m Po wer T echnolog y
M ar .25, 2009 , V ol .26 N o .2
设计应用
超高温环境下航天器数据记录器防热结构设计
张 燕 , 刘文怡 (中北大学 电子与计算机科学学院 , 山西 太原 030051)
摘要 :通过用 AN SYS 软件热仿真数据存储器在 1 100 ℃下工作 半小时 后壳体 的温度 分布情 况 , 介 绍了怎 样设计 数
据记录器的壳体 , 可使存储器部分有效地 回收 。并 通过有限元分析的 直接法 , 列 出了各种 材料上 所设节 点的温 度计算 矩
阵方程 , 用 M A T L AB 计算出各节点温度结果 , 再与用 A NS YS 软件仿真出 来的试验 结果进 行比较 , 确定 试验结 果的正 确
20 23 .5 49 .7 57 .7 57 .8 954 .9 1120
流体接触到温度不同的流体表面时就会出现热对流现
象 , 流体和表面间的总热传递遵守牛顿冷却定律 , 即满 足方程 :
q =U A(T s -T f) 式中 , T s 代表流体表面的温度 ;T f 代表流体的温度 。 在稳态热传递中 , 因对流形式的存在 , 要保证流体表面 能量的平衡 , 要求通过传导传递给表面的能量与通过 对流传递的能量相等 。即 :
U 6 A6 (T7 -T 6)=U 5 A5 (T6 -T 5)
【传导矩阵】【温度矩阵】=【热流矩阵】
0 0
0 -A4U 4 A4 U4 +A5U 5 -A5U 5
0
0 0
0 0 -A5 U5 A5U 5 +A6 U6 -A6 U6
0 0 0 0 0 -A6U 6 A6U 6
2 研究模型建立及网格划分
4 总 结
试验五 :铝(8)、空气(30)、 炮钢(8)、毛毡(4)、炮钢(3)。
图 5 30 分钟后的 温度场分布等值线图
图 5 为试验五仿真的温度场分布等值线图 。 图中 总结得出 , 各种不同的材料组合顺序及尺寸的不同 , 会
可 看 出 :整 个 内 部 存 储 器 保 护 壳 体 的 温 度 均 在 对组成壳体的隔热效果产生很大影响 。 改变导热系数
Key wo rds :she ll;reco rde r ;memo ry ;ult ra-hightemperature ;simulatio n
0 引 言
在一些恶劣环境中无法实时传输数据 , 而这些数 据又对航天技术的发展有着重要的作用 。航天领域里 大多采用在不影响被测对象或允许的范围内 , 将数据 记录器置入被测体内的方法 , 现场实时完成各种信息 的快速采集和存储 , 并回收存储器 , 由计算机处理 , 再 现被测信息动态测试情况 。然而在记录器采集完数据 后 , 有效回收存储器的过程中 , 需要考虑到一些特殊情 况 , 如存储器回收时与大气摩擦发生高热 、火箭发射发 生故障时可能承受的爆炸燃烧过程等等 。这些都会使 存储器置于超高温的环境中 , 为了确保存储器中数据 的安全回收 , 航天领域严格要求对数据记录器做防热 结构设计 。
-kA
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
T X
=UA (T s
-Tf )
通过傅里叶定律和牛顿冷却定理列出热平衡方程
如下 :
U 2 A2 (T3 -T 2)=U 1 A1 (T2 -T 1)
U 3 A3 (T4 -T 3)=U 2 A2 (T3 -T 2)
U 4 A4 (T5 -T 4)=U 3 A3 (T4 -T 3)
U 5 A5 (T6 -T 5)=U 4 A4 (T5 -T 4)
似解 。数值解法分为两大类 :有限差分方法和有限元 方法 。本研究理论分析采用的是有限元方法 。将求解 域离散成有限个单元 :这里用包含 7 个节点 、6 个单元 的模型来模拟这个仿真环境 。 存储器外壳设计有限元 模型如图 1 。 所 有单元的 稳态热效 应遵守傅 里叶定 律 , 即当介质中存在温度梯度时就会出现热传导 , 能量 通过分子运动从高温区传递到低温区如图 2 。 热传导 率则可以由傅里叶定律得出 :