复杂边界条件下多体结构的瞬态热分析

论文摘要

飞行器大部分仪器设备要求处于一定的温度范围之内,并且有些设备要求温度的波动幅度很小,因此必须对飞行器进行温度控制。要使仪器设备长时间可靠的工作,关键之一便是进行热分析。它包括对所设计的结构进行建模求解,得出系统的温度值及其变化规律,以考查该系统热设计的合理性。虽然试验测试是检验理论分析结果的手段,但随着对各种设备、系统热状况形成机制的深入了解,相应的热分析模型精度不断提高,热分析结果的可靠性越来越得到认可。热分析已逐渐称为许多产品设计研发过程中的一个重要环节。本文以飞行器热控设计为应用背景,开展复杂边界条件下多体系统结构的热分析研究。根据系统内的传热机制与特性不同,分别对导热-辐射耦合换热系统、导热-辐射-对流耦合换热系统两类多体结构系统进行热分析建模。采用有限容积热网络法结合蒙特卡洛法、通过区域分解与耦合,进行复杂边界条件下系统与部件的瞬态热响应计算,获得细致的瞬态温度分布。通过对典型结构部件热响应计算,与大型数值分析软件ANSYS的分析结果进行了比较,验证了本研究组研发的热分析计算软件的可靠性。在此基础上,对复杂边界条件下两类多体结构系统的瞬态热响应进行了模拟计算,分析了系统内部各设备温度场的变化规律与影响因素。研究表明,本文方法及软件对复杂边界条件下大型多体结构系统热分析有很好的适应性,可同时兼顾系统级与部件级热分析需求,计算速度快、结果可靠。同时,本文结果为相关飞行器热设计提供了参考依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景与研究意义
• 1.2 研究概况
• 1.2.1 国内研究现状
• 1.2.2 国外研究现状
• 1.3 课题主要研究内容
• 第2章 基本原理与算法
• 2.1 热环境的形成机制分析
• 2.2 热分析的基本步骤
• 2.3 基本控制方程
• 2.3.1 传热基本定律
• 2.3.2 ANSYS热分析方法简介
• 2.3.3 耦合换热计算的热网络方程
• 2.4 表面辐射换热原理与计算方法简介
• 2.5 蒙特卡洛法计算辐射换热的基本原理
• 2.5.1 辐射能束与表面的数学表示
• 2.5.2 辐射换热计算的主要概率模型
• 2.5.3 坐标转换
• 2.6 有限容积热网络法及热网络方程的建立
• 2.7 本章小结
• 第3章 耦合换热系统的数学模型
• 3.1 几何建模的基本原则
• 3.2 壳体内外节点热耦合模型
• 3.3 网络节点布置
• 3.4 电子设备导热各向异性模型
• 3.5 本章小结
• 第4章 耦合换热系统的温度特性
• 4.1 辐射－导热耦合换热系统的计算结果与分析
• 4.2 与ANSYS计算的比较
• 4.3 辐射－导热耦合换热系统的热分析
• 4.3.1 无外热流作用下计算
• 4.3.2 有外热流作用下计算
• 4.4 辐射－导热－对流耦合换热系统的热分析
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢