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航空航天系列仿真解決方案

原文作者:
  CnTech
發布時間:
  2015-03-31
來    源:
  CnTech
相關產品:
  SINDA/FLUINT Oofelie Multiphysics
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從航空航天行業的發展史可以非常清晰地看到,重大突破(無論是飛機、衛星、宇航員太空服還是其它成功的新產品)的動力來自于材料、技術與方法領域的創新。自1956年波音公司首次將有限元法用于飛機機翼的結構分析,吹響了有限元的號角。可以說,航空航天領域的發展,離不開仿真計算的發展。

飛行器種類眾多,但從組成來看,大的方向,可以分為包括飛行控制系統、動力系統、液壓系統、導航系統、儀表系統、通信系統、安防系統、空調系統、水系統、武器系統等,這些系統在設計、制造和研發過程中應用的學科,幾乎涉及了所有重要專業領域:微機電系統、結構力學、流體力學、傳熱學、材料等。本解決方案從這幾個方面加以闡述。

微機電系統分析

飛行器的控制系統、導航系統、儀表系統等都屬于微機電系統的范疇,微機電系統即包括執行器、傳感器、換能器等等。從仿真角度分析,涉及各類物理場的耦合:結構力學、傳熱、電磁甚至光學。
光學分析

飛行器各類系統中有很多涉及光學方面的,例如紅外探測,“光學窗口”,衛星望遠鏡等,這些領域均涉及光、熱、力的耦合問題。

熱、流分析

飛行器的動力系統、空調系統、水系統均涉及熱流,即各類復雜內外部環境下的熱管理,而這熱又往往與流體有關。

飛行器流固耦合分析

航空航天范疇的飛行器,飛行速度往往很快,因此飛行環境及自身飛行姿態對飛行器的狀態至關重要,外部空氣與飛行器自身的共同作用,是對機身結構的嚴重考驗,大模型的高馬赫數流固耦合問題求解較為困難。

一、微機電系統分析

飛行器通過傳感器測量各種直接參數,由機載計算機計算得到間接參數,經系統處理轉變為可現實的參數,由顯示系統以指針或圖形方式顯示出來,或將這些參數傳輸給自動控制系統,產生控制指令,直接由執行器改變飛行狀態。飛行器上微機電系統范疇的組件包括壓力傳感器、溫度傳感器、轉速傳感器、加速度傳感器、迎角傳感器、陀螺儀、被動微波傳感器、雷達和天基的GPS傳感器以及微馬達執行器、微泵、微閥、諧振器等等。

仿真實例一:環型激振器

激振器(vibration exciter)是附加在某些機械和設備上用以產生激勵力的裝置,是利用機械振動的重要部件。激振器能使被激物件獲得一定形式和大小的振動量,從而對物體進行振動和強度試驗,或對振動測試儀器和傳感器進行校準。

本案例的環形激振器由一個金屬環和兩個壓電堆棧組成。由于電勢差的作用,壓電材料產生橫向位移致金屬環頂部發生上下的位移。這類型的傳動機構的主要目標是高精度定位。上圖分別為幾何模型以及工作狀態下的電勢分布以及位移分布情況,從圖中可以看出,壓電材料經較小的橫向縮小,可以引起整個器件縱向較大的位移。

仿真實例二:加速度計

加速度計作為測定物體加速度的儀器,已被廣泛地應用于飛機、潛艇、導彈、航天器等裝置的制導中,包括壓電式、壓阻式、電容式等。

加速度計比較重要的設計包括壓電效應、彈性阻尼、模態分析、諧振分析以及品質因數Q。

仿真實例三:壓力傳感器

壓力傳感器主要是利用材料的壓電效應制造而成的,是一種最常用的傳感器。

壓力傳感器的設計涉及因素很多,例如壓阻效應、敏感元件的幾何參數分析、材料性能參數識別、薄膜力學特性以及預應力的影響等等。

仿真實例四:電磁閥

電磁閥是用電磁控制的工業設備,是用來控制流體的自動化基礎元件,屬于執行器,并不限于液壓、氣動。用在工業控制系統中調整介質的方向、流量、速度和其他的參數。電磁閥可以配合不同的電路來實現預期的控制,而控制的精度和靈活性都能夠保證。

電磁閥設計時需要考慮的重要因素為電磁力變化,這個變化和眾多因素有關,例如移動部件的軸向位置、離心率、移動部件的形狀以及線圈電流等。

仿真實例四:微小衛星熱控及定位

嚴格來說,所謂微小衛星就是基于微機電系統利用超微型加工技術和集成技術,將微小衛星的電源、制導與控制系統、熱控系統、遙控、數據處理等高度集成,實現模塊化、微型化、超輕量化。隨著電子集成技術特別是微機電技術迅猛發展,微小衛星已嶄露頭角,為了提高有效載荷比,將星上電子系統和其它分系統高度集成,需要進行光、機、電、熱一體化的設計。微小衛星的研制涉及到MEMS技術、大規模集成電路封裝技術、電子系統集成與嵌入式組件設計、高強度蜂窩結構、高導熱率材料、輕質復合材料、納米材料和薄膜結構等。從衛星總體的角度來看,微小衛星的研制需要解決的關鍵技術有:姿態控制、能源技術、通信機制、熱控技術等等。從衛星熱控制的角度來說,高熱流密度、低熱慣性將是面臨的新的挑戰,尤其對于微小衛星更是一個嚴峻的考驗。

上面兩幅仿真結果圖片來自于空間系統承包商LuxSpace,該案例主要考慮了器件在低溫環境下的可靠性,探測器的靈敏度,甚至在軌衛星的四種輻射影響(太陽輻射,地球反照率和深空紅外以及主動散熱)

二、光學分析

紅外探測器、衛星望遠鏡是非常典型的飛行器光學系統的代表,仿真分析涉及光學、力學、熱學等方面。

仿真實例一:紅外探測器

紅外探測器在軍事或民用上有著廣泛的應用,它主要是通過探測目標的紅外輻射來實現對目標的探測。

本案例中的紅外探測,采用微熱輻射材料吸收紅外波,自身發熱,熱應力引起材料形變。

仿真分析結果如下:

仿真實例二:望遠鏡

天文望遠鏡可從功能上分解為光學系統、機械結構和自動控制三大子系統,即對應于光機電三大學科,是典型的光機電耦合系統。

歐洲特大望遠鏡的鏡面主控的仿真分析:

三、熱、流分析

飛行器的熱、流十分復雜,例如衛星在外太空,接收來自太陽、地球的輻射、地球返照太陽輻射,以及衛星自身發熱,再例如飛行器中的單相流回路熱控系統中的泵、閥、補償器等組件的回路設計,均因影響因素過多,往往需要借助于仿真分析手段加以設計完善。

仿真實例一:衛星溫度場分析

衛星在軌道上飛行,其與外部環境的熱量交換方式幾乎完全是通過輻射方式進行,基本不存在對流和傳導,其接受的表面外熱流主要是太陽輻射,地球對太陽輻射的反射,地球紅外輻射和衛星自身內熱輻射4種,如下圖所示:

從上圖中的節點溫度分布圖可以看出,衛星表面溫度呈周期性變化,這與衛星周期性進入照射區和陰影區相符合。由于初始溫度設置隨意性的原因,衛星經過大概兩個周期的時間,達到穩定變化狀態。

仿真實例二:衛低溫回路熱管設計

 隨著空間制冷和探測技術的不斷發展,越來越多的工程任務需要工作在200 K 左右的低溫回路熱管進行探測儀器負載上廢熱的收集、傳輸與排散。針對低溫回路熱管(Cryogenic Loop Heat Pipe,CLHP),目前的研究多以實驗為主,但是低溫實驗通常成本高、周期長,而且結果易受外界因素的影響,為此通過開展仿真計算來探清CLHP的運行機制并指導未來的實驗工作已成為CLHP研究的一個重點。

分析結果:

四、飛行器流固耦合分析

流固耦合是研究變形固體在流場作用下的各種行為以及固體位形對流場影響這二者交互作用的一門科學。它的一個重要力學特征是兩相介質之間的交互作用 (fluid-solid interaction),當流體與結構共同構成的體系受到動載荷作用時,流體與固體之間發生相互作用,即固體在流體作用下產生變形或運動,而這變形和運動又反過來影響流體的運動,從而改變流體載荷的分布和大小,正是這種相互作用在不同條件下將產生形形色色的流固耦合現象。在航空航天工程中,飛行器的氣動彈性振動問題和含液容器的晃動問題,是典型的流固耦合問題。

仿真實例一:高超音速的流固耦合

飛行器在出入大氣層或在空間中做高超聲速飛行時,強烈壓縮前方空氣,并與周圍空氣劇烈摩擦,大部分動能轉化為熱能,使得飛行器附近空氣溫度劇烈升高并加熱飛行器壁面。當飛行高度為24km,飛行馬赫數為7時,在半徑為20mm的前緣鼻錐表面上的熱流密度高達2—3MW/m2。高溫對高超聲速飛行器材料的耐熱性以及在高溫條件下結構的承載能力提出了更高的要求,因此氣動熱及其熱防護技術己成為制約高超聲速飛行器發展的關鍵問題之一。

仿真實例二:渦輪機械的流固耦合

在葉輪機械內部,流體和固體葉片之間存在著相互作用:流場的氣動力加載到葉片表面,引起葉片的振動,而葉片的振動位移反過來作用于流場邊界,引起流場的改變,進而改變作用于葉片上的氣動力。葉輪設計的重點是:最大應力與形變的計算(葉片、渦輪機轂、推進器以及傳動軸),另外,葉輪的軸承注油方法也是必須要重點考慮的。

仿真實例三:低溫晃動流固耦合分析

作為液體火箭發動機能量的來源,低溫推進劑貯箱是推進劑輸送系統的核心組件,由于存在復雜的流-固、氣-液兩相瞬態傳熱傳質現象,在低重力環境下還要考慮表面張力的影響,因此也是輸送系統中研究難度最大的組件,對推進劑輸送系統的研究不可避免地側重于對貯箱的研究,反過來說,貯箱結構設計和數學建模的好壞程度也直接決定了推進劑輸送系統設計和數學模型的可靠程度。

五、本方案中所采用的軟件

微機電系統、光學分析、流固耦合分析由Oofelie Multiphysics(以下簡稱Oofelie)軟件完成,Oofelie是SAMTECH集團Open Engineering公司的旗艦產品,適用于電學、熱學、光學、機械等耦合系統的造型及參數化設計,結合了靜電效應、聲學振動、相變、熱傳及流體理論。

SAMTECH是歐洲領先的CAE解決方案開發商,成立于1986年,主要致力于結構有限元分析、機械系統虛擬仿真、多學科優化設計以及多物理場耦合分析。SAMTECH在2001年成立Open Engineering,從事多物理耦合分析的開發和研究。多年來,SAMTECH憑借其強大的技術實力、專業的技術團隊及完善的服務體系贏得了全球如航空航天、國防、汽車、能源、船舶等工業以及高等院校用戶的青睞。

Oofelie Multiphysics軟件主要特點如下:

?多物理場仿真求解

可以完成復雜電磁、傳熱、結構、流體、振動、聲學、光學耦合仿真問題的高效計算。

?快速、精確計算

支持多種算法:有限元法(FEM)、邊界元法(BEM)、有限體積法(FVM)、快速多極子算法(FMM);支持FEM、BEM、FVM等算法直接耦合計算。

?強耦合仿真計算

提供耦合單元,在單元節點、邊、面上都有多重自由度,允許各個物理場的本構方程在單元上耦合并同時求解。

    更多Oofelie Multiphysics軟件信息,歡迎訪問http://oofelie.cntech.com.cn/

熱、流分析由SINDA/FLUINT(以下簡稱S/F)軟件完成,S/F是一款應用于復雜系統熱設計分析和流體流動分析的綜合性有限差分軟件,由美國Cullimore & Ring公司開發。多年以來,S/F已經在航空航天業界提供給用戶最可靠的傳熱與流體流動設計分析服務。所有的NASA用戶都使用此軟件,參與NASA國際空間站合作項目的客戶都必須使用S/F軟件進行熱設計。

S/F基于有限差分法、集總參數理論、離散化的經驗公式,應用領域包括如下領域:

熱輻射、流固耦合傳熱分析、復雜管網及水力件、熱管、壓縮循環、多相/多組分流動(自動判別流域變化/臨界熱流/臨界流)、旋轉機械、水錘、線面接觸熱阻、隔熱絕熱材料、導熱強化措施、多軸旋轉或多自由度平移輻射、翅片/泵/壓力損失件模擬、物理化學反應熱(相變與熱燒蝕)分析、半導體制冷等,涵蓋了熱流工程應用的方方面面。

S/F的熱流分析能力及特點如下:

1、 熱模擬能力

1) 穩態和瞬態分析能力

• 導熱、對流、輻射,熱容、燒蝕、融化、升華;

• 隨時間、溫度、壓力變化的屬性和參數;

• 參數化分析與重啟計算能力;

• 內建可實現自動關聯求解的多變量表;

• 大量內建輔助分析庫函數;

• 從設備級到系統級的性能模擬;

2) 高級設計

• 設計優化、目標捕獲、極端工況自確定;

• 自動擬合實驗數據(修正模型);

• 可靠性工程(統計分析各種不確定性);

3) 用戶自添加邏輯的一并運行

• 模擬控制系統合復雜組件;

• 自定義數值算法、輸入、輸出;

• 與其它程序和軟件交互;

引入子模型概念,同時S/F提供的不再僅僅是穩態和瞬態的計算程序,而是多種求解方案。

2、 流體模擬能力

• 任意構建的復雜系統,1D流體網絡,包括在2D和3D控制體內的熱分層現象;

• 單相/兩相、單組分/混合物,包括沸騰、蒸發、凝結,兩相流的均勻流、滑移流動、熱管、多相流中的自動流域匹配等;

• 穩態與瞬態(從換熱器尺寸穩態優化到流體瞬態動載,如水錘);

• 設計優化、極端工況自確定、試驗數據標定、統計學設計;

• 多層次模擬近似(系統級設計的幾十個單元到部件級設計數萬單元);

• 模擬多種流體(從數據庫調用或自定義)、可壓和不可壓;

• 通過流體組件(泵、風扇、閥門、三通、濾網等);

• 利用對稱性和冗余特征實現計算簡化;

• 隨時間和方向變化的質量力、自然對流、耦合傳熱;

• 毛細設備、旋轉機械、高速流體流動中的能量傳遞;

    更多SINDA/FLUINT軟件信息,歡迎訪問http://sinda.cntech.com.cn/

  
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