I-DEAS在航天器熱分析中的應(yīng)用

鐘楊帆， 朱敏波， 魏鋒 (西安電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西西安710071)

作者簡(jiǎn)介：鐘楊帆(19Sl一)，男，湖南澧縣人，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娮釉O(shè)備結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)； 朱敏波，男，碩士，副教授，研究方向?yàn)殡娮釉O(shè)備結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)與工程數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)； 魏鋒，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娮釉O(shè)備結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)。

摘要：為了保證航天器在宇宙空間熱環(huán)境中安全可靠地工作，需要對(duì)航天器進(jìn)行合理地?zé)岱治鲇?jì)算，針對(duì)航天器在軌工作的特征，介紹了I-DEASMasterSeriesTMG軟件的主要功能，并通過(guò)TMG計(jì)算了一衛(wèi)星模型的在軌瞬態(tài)溫度場(chǎng)，為進(jìn)一步的在軌熱變形計(jì)算提供了必要的溫度數(shù)據(jù)，并對(duì)以后的熱控方案具有一定的參考作用。

關(guān)鍵詞：熱分析,熱設(shè)計(jì),I-DEAS,航天器,溫度場(chǎng)
中圖法分類號(hào)：V416、4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000．7024(2006)12．2306．03
Application of I·-DEAS in thermal·-analysis of spacecraft
ZHoNG Yang fan， ZHU Minbo， WEI Feng
(School of Mechanic-Electronic Engineering，Xidian University,Xi’an 7 1 007 1，China)
Abstract：In order tO maintain the high reliability of spacecraft in space thermal environment， the therm al-analysis of spacecraft must be done adequately．Aiming at the characters ofspacecraft working on the orbit，the main function ofI-DEAS master series TM G software is introduced． The on-orbit transient temperature profiles ofa spacecraft are calculated by using TMG． Th e necessary temperature data are provided for the therm al distortion an alysis and the selection ofthe therm al control measures．
Key words：thermal—analysis； thermal design； I-DEAS； spacecraft；temperature filed
0 引 言
衛(wèi)星飛船和空間站在外層空間運(yùn)行時(shí)，要長(zhǎng)期經(jīng)受太陽(yáng)、行星和空間低溫?zé)岢恋慕惶婕訜岷屠鋮s，引起高低溫的劇烈變化，在最壞的情況下其溫度變化幅度可達(dá)+150~C[11 7對(duì)于大部分星上儀器來(lái)說(shuō)，在這樣大幅度的溫度變化的情況下是無(wú)法工作的。以前國(guó)外由于航天器的熱設(shè)計(jì)不周而導(dǎo)致其溫度過(guò)高或過(guò)低，從而影響其正常工作甚至停止工作的情況常有報(bào)道。因此，為保證航天器能正常工作，就必須對(duì)它們進(jìn)行合理的溫度控制，而通過(guò)計(jì)算分析溫度場(chǎng)，就可以為熱控系統(tǒng)方案的優(yōu)化提供可靠的依據(jù)。航天器的熱分析主要包括軌道計(jì)算、外熱流計(jì)算和溫度計(jì)算等方面。熱計(jì)算的目的是根據(jù)航天器內(nèi)外熱狀況及熱措施來(lái)確定航天器各部分的溫度變化規(guī)律，以便檢驗(yàn)熱設(shè)計(jì)是否已將各部分的溫度控制在所要求的溫度范圍之內(nèi)以及在給定的運(yùn)行條件下是否預(yù)示航天器的實(shí)際運(yùn)行溫度。隨著電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，航天器熱分析逐漸走向成熟，并且用專業(yè)的熱分析軟件進(jìn)行熱分析 。國(guó)內(nèi)目前較流行的軟件有NEwLDA ，SINDA／G 和I-DEAS TMG。I-DEAS是美國(guó)EDS公司的產(chǎn)品，是全球最知名的MCAD軟件之一。
I-DEAS是一個(gè)高度集成CAD／CAE／CAM／CAT系統(tǒng)，它在CAD／CAE一體化技術(shù)方面一直雄踞世界榜首，軟件內(nèi)含諸如結(jié)構(gòu)分析、熱力分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)和耐久性分析等真正提高產(chǎn)品性能的高級(jí)分析功能。本文使用了I-DEAS的TMG模塊對(duì)一衛(wèi)星模型的在軌瞬態(tài)溫度進(jìn)行了預(yù)算。
1 I-DEAS TMG模塊簡(jiǎn)介
I-DEASTMG是一個(gè)全面的傳熱仿真程序，它能提供快速精確的方法求解復(fù)雜的傳熱問(wèn)題。TMG與I-DEASMasterSeries融為一體。模型建立在設(shè)計(jì)的幾何圖形上，因而處于底層的零件的變化將在熱模型中得到反映。有大量的工具用于創(chuàng)建、檢查和求解熱模型。I-DEAS TMG使用先進(jìn)的有限差分控制體技術(shù)。可以解決傳導(dǎo)、輻射、自然或強(qiáng)制對(duì)流、管流冷卻和相位變化等傳熱問(wèn)題。支持實(shí)體、殼、梁?jiǎn)卧腿我饩W(wǎng)格形狀。支持隨溫度變化的材料及各向異性材料。采用角系數(shù)計(jì)算輻射傳熱，可模擬漫反射、鏡面反射和透射。熱耦合技術(shù)在不連接、不匹配或不相似的網(wǎng)格之間建立熱通路。強(qiáng)大的航天器軌道熱效應(yīng)分析，包含軌道環(huán)境熱載、軌道和姿態(tài)模型構(gòu)造及航天器自轉(zhuǎn)等。共軛梯度求解器運(yùn)用多種控制方法和運(yùn)行選項(xiàng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)熱分析 。
2 用TMG進(jìn)行航天器熱分析的步驟
由于TMG和I-DEAS軟件集成在一起，所以從建模、網(wǎng)格劃分、邊界條件和求解參數(shù)的設(shè)置以及后處理等熱分析的全過(guò)程均可在I-DEAS軟件中進(jìn)行，無(wú)需附加的輸入文件或幾何轉(zhuǎn)換。用I-DEAS TMG進(jìn)行計(jì)算及仿真的過(guò)程可分為5個(gè)基
本步驟：幾何造型、定義材料和物理特性、劃分熱模型網(wǎng)格、定義軌道參數(shù)以及求解和后處理。
2．1 幾何造型
我們可使用I-DEAS中全部幾何造型命令來(lái)構(gòu)造熱分析模型。由于I-DEAS實(shí)體建模是以變量化設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)且尺寸和約束驅(qū)動(dòng)修改，因此構(gòu)造、修改模型比較方便。用I-DEAS建立好的衛(wèi)星模型如圖1所示。
2．2 定義材料和物理特性
在有限元模型里，材料特性被用來(lái)定義單元的熱特性。
當(dāng)模型中單元生成時(shí)，就必須為單元定義一定的材料特性，因此，材料特性是分析模型中單元的一種屬性。針對(duì)不同材料的實(shí)體傳導(dǎo)和表面輻射，必須定義相應(yīng)的熱傳導(dǎo)率和輻射率，TMG包含一個(gè)材料數(shù)據(jù)庫(kù)，可以修改、增加材料。材料數(shù)據(jù)庫(kù)擁有鏡面反射和漫反射表面的涂層數(shù)據(jù)、熱傳導(dǎo)率、比熱容等各種計(jì)算所需的材料特性Ⅲ。物理特性是單元的另一種屬性，如殼單元的厚度、梁?jiǎn)卧臋M截面積等。
2．3 劃分熱模型網(wǎng)格
劃分熱模型網(wǎng)格包括劃分傳導(dǎo)單元網(wǎng)格、熱耦合單元網(wǎng)格、熱邊界條件單元網(wǎng)格和流動(dòng)曲面單元網(wǎng)格。傳導(dǎo)模型可用三維線性六面體、楔形和四面體單元，非零厚度的二維線性薄殼單元和橫截面積不等于零的一維線性梁?jiǎn)卧獊?lái)造型。耦合模型通常用殼單元來(lái)造型，梁?jiǎn)卧图匈|(zhì)量單元也可用來(lái)生成耦合。熱邊界條件可以設(shè)置在三維實(shí)體單元、二維殼單元、一維梁?jiǎn)卧图匈|(zhì)量單元上，也可在實(shí)體單元表面、殼單元的邊上、梁?jiǎn)卧亩它c(diǎn)生成附加的單元來(lái)定義邊界條件。而流動(dòng)曲面只能用二維薄殼單元來(lái)造型。對(duì)圖1中的模型全部采用殼單元有限元網(wǎng)格劃分，其中太陽(yáng)電池陣兩表面間的傳導(dǎo)用傳導(dǎo)熱耦合，而不是用三維實(shí)體熱傳導(dǎo)模型，衛(wèi)星內(nèi)部用了一個(gè)非幾何單元建模并設(shè)定為一個(gè)固定的溫度，這個(gè)非幾何單元用輻射熱耦合連接到衛(wèi)星主體的6個(gè)表面。衛(wèi)星主體和太陽(yáng)電池陣分別用不同厚度的殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其它部分被忽略不計(jì)。劃分好的有限元模型如圖2所示。

2．4 軌道任務(wù)設(shè)計(jì)
軌道任務(wù)編制包括定義軌道、衛(wèi)星方位、有效載荷和太陽(yáng)電池陣。在I-DEASTMG模塊中軌道定義可以用多種方法描述，比如經(jīng)典、B角、太陽(yáng)同步、行星／太陽(yáng)矢量等軌道類型。為了幫助設(shè)計(jì)人員校驗(yàn)軌道，先進(jìn)的軌道可視化系統(tǒng)能幫助快速驗(yàn)證軌道定義的正確性，可以用動(dòng)畫把航天器模型沿軌道軌跡運(yùn)動(dòng)顯示出來(lái)，本次計(jì)算衛(wèi)星軌道參數(shù)為：① 軌道半長(zhǎng)軸：8 885．95Km；②軌道偏心率：0．1；③ 軌道傾角：45。；④ 軌道周期：7 230．21秒；⑤ 軌道姿態(tài)：+z面為衛(wèi)星的對(duì)地面，+Y方向?yàn)轱w行方向；⑥ 升交點(diǎn)到軌道近地點(diǎn)地角距：5O。；⑦ 春分點(diǎn)到升交點(diǎn)的地心角距：30。；⑧ 軌道步長(zhǎng)的劃分軌道按照0~-360。進(jìn)行12等分，如果軌道上有遮擋，兩個(gè)附加的計(jì)算位置將被分別加在遮擋的起始處和終結(jié)處。軌道示意圖如圖3所示。
軌道定義后，與軌道、地球和太陽(yáng)相關(guān)的衛(wèi)星方位就定義了，自由度、旋轉(zhuǎn)軸和旋轉(zhuǎn)限制也相應(yīng)被描述。TMG的聯(lián)接功能對(duì)于諸如太陽(yáng)電池陣列、跟蹤天線或遙控設(shè)備等機(jī)械組
件的運(yùn)動(dòng)引起的瞬態(tài)輻射換熱進(jìn)行模擬。聯(lián)接對(duì)被選擇的單元項(xiàng)相對(duì)于模型中其它部分的剛體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行建模，在模型中支持轉(zhuǎn)動(dòng)和平動(dòng)鉸鏈，并提供了一套圖形工具來(lái)對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)進(jìn)行動(dòng)畫模擬。
2．5 求解和后處理
利用TMG的求解器可以求解模擬穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)條件下的溫度響應(yīng)得熱模型，對(duì)于在軌衛(wèi)星的瞬態(tài)分析，瞬態(tài)熱模型是通過(guò)在離散的時(shí)間段上積分求解的。時(shí)間步長(zhǎng)只是時(shí)間域的網(wǎng)格，大的或快速的溫度改變需要較細(xì)的時(shí)間步長(zhǎng)，對(duì)于軌道衛(wèi)星這樣的周期模型中，應(yīng)使用周期性收斂，當(dāng)使用周期收斂時(shí)，TMG用指定的溫差與循環(huán)的起點(diǎn)和終點(diǎn)溫度相比，以判斷是否收斂。除了熱模型的溫度結(jié)果外，TMG還可以獲得熱流、視角系數(shù)值和質(zhì)量流率等更多的結(jié)果。求解參數(shù)設(shè)定以后，TMG就會(huì)自動(dòng)進(jìn)行計(jì)算。一旦求解過(guò)程結(jié)束，就可以把結(jié)果加載進(jìn)模型文件中。溫度結(jié)果可以用溫度等值線顯示法來(lái)評(píng)估溫度結(jié)果。圖4和圖5是瞬態(tài)熱分析的結(jié)果。通過(guò)瞬態(tài)熱分析，能夠得到該衛(wèi)星在軌道上各個(gè)時(shí)刻的詳細(xì)溫度分布，從而為進(jìn)一步的熱變形計(jì)算 以及熱控方案的實(shí)施提供了必要的溫度數(shù)據(jù)。

3 結(jié)束語(yǔ)

I-DEAS TMG 熱設(shè)計(jì)系統(tǒng)集成了全部空間飛行器設(shè)計(jì)環(huán)境。具有完全集成的功能來(lái)分析航天器的環(huán)境熱，包括直接的太陽(yáng)光源、星體反照率和行星熱流。該模塊包含一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)用于構(gòu)建航天器熱分析各種復(fù)雜功能，使分析人員可以形象地了解衛(wèi)星軌道、位置、軌道熱載、溫度及其它可用數(shù)據(jù)。為了反復(fù)校正設(shè)計(jì)參數(shù)，可以方便地修改設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。
應(yīng)用的結(jié)果表明I-DEAS TMG對(duì)于求解航天器在軌溫度場(chǎng)非常方便快捷，在需要進(jìn)一步分析熱變形和熱應(yīng)力時(shí)，熱分析得出的溫度分布可以直接應(yīng)用于I-DEAS的結(jié)構(gòu)分析中，這樣能夠大大提高分析效率和計(jì)算精度。

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