臨近空間浮空器熱-結(jié)構(gòu)耦合數(shù)值模擬研究.pdf

1、作為高空平臺,臨近空間浮空器由于滯空時間長、低成本和可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn),在軍事上具有很好的使用價值,美、韓、日等國家已經(jīng)對其開展了大量研究。在浮空器設(shè)計(jì)領(lǐng)域,一個很重要的問題是在設(shè)計(jì)和運(yùn)行控制中預(yù)測內(nèi)部氣體溫度變化特性,因?yàn)楦】掌鞲×θQ于囊體內(nèi)的氣體溫度與環(huán)境空氣溫度的差值。平流層浮空器外部蒙皮主要采用膜結(jié)構(gòu),其整體剛度小,一般為柔性,內(nèi)部氣體溫度變化會導(dǎo)致浮空器蒙皮結(jié)構(gòu)發(fā)生非線性變形,反之,浮空器結(jié)構(gòu)變形也會影響到內(nèi)部氣體溫度變化。因

2、此,浮空器熱力學(xué)與結(jié)構(gòu)力學(xué)的相互作用是一個復(fù)雜的熱-結(jié)構(gòu)耦合問題。
　　本文圍繞著臨近空間浮空器熱-結(jié)構(gòu)耦合問題開展了一系列研究,主要工作和成果如下:
　　(1)建立了平流層飛艇熱力學(xué)模型,據(jù)此設(shè)計(jì)了計(jì)算程序,并用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了其準(zhǔn)確性。用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證的計(jì)算程序?qū)ζ搅鲗语w艇滯空過程中的熱力特性進(jìn)行了分析,給出了飛艇蒙皮和內(nèi)部氣體溫度瞬態(tài)變化規(guī)律,并研究了蒙皮輻射物性參數(shù)、周圍風(fēng)速以及飛艇姿態(tài)角對飛艇內(nèi)部氣體溫度以及蒙皮溫差的

3、影響。
　　(2)建立了飛艇表面光伏電池的三層導(dǎo)熱模型,結(jié)合平流層飛艇的熱力學(xué)模型獲得了光伏電池與平流層飛艇耦合分析模型。根據(jù)所得數(shù)學(xué)模型,對平流層飛艇熱特性計(jì)算程序進(jìn)行了升級。利用升級后的計(jì)算程序,分析了光伏電池?zé)崃μ匦约捌漭敵龉β?研究了緯度和風(fēng)速對光伏電池輸出功率的影響以及光伏電池對飛艇熱特性的影響。
　　(3)建立了膜結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型,據(jù)此設(shè)計(jì)了柔性薄膜變形計(jì)算程序,并進(jìn)行了驗(yàn)證。將膜結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型與飛艇的熱力學(xué)模型相耦合

4、,在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出了平流層飛艇熱-結(jié)構(gòu)耦合數(shù)值模擬程序。利用該程序?qū)︼w艇蒙皮結(jié)構(gòu)力學(xué)特性進(jìn)行了研究,分析了蒙皮內(nèi)外壓差、蒙皮彈性模量以及泊松比等參數(shù)變化對飛艇蒙皮結(jié)構(gòu)變形以及蒙皮應(yīng)力的影響,為飛艇蒙皮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù);對飛艇定點(diǎn)懸停過程中夜間和正午時刻進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)熱-結(jié)構(gòu)耦合分析,揭示了蒙皮彈性模量、蒙皮輻射參數(shù)對飛艇內(nèi)部氣體溫度、內(nèi)外壓差、飛艇體積以及滯空高度的影響;對飛艇滯空飛行和滯空懸停兩種工作情況下的瞬態(tài)過程進(jìn)行了熱-結(jié)構(gòu)耦

5、合分析,預(yù)測了平流層飛艇內(nèi)部氣體晝夜溫度變化以及蒙皮內(nèi)外壓差晝夜變化情況,計(jì)算出了蒙皮最大應(yīng)力,作為判斷平流層飛艇滯空過程中是否會出現(xiàn)破裂的依據(jù)。
　　(4)建立了高空超壓氣球熱-結(jié)構(gòu)耦合數(shù)學(xué)模型,據(jù)此設(shè)計(jì)出了高空超壓氣球熱-結(jié)構(gòu)耦合數(shù)值模擬程序。利用該程序?qū)Τ瑝簹馇蛎善そY(jié)構(gòu)力學(xué)特性進(jìn)行了研究,分析了加強(qiáng)筋數(shù)量、最大瓣角、蒙皮和加強(qiáng)筋彈性模量、蒙皮泊松比等參數(shù)變化對超壓氣球性能的影響,并對“南瓜形”與正球形(含加強(qiáng)筋、不含加強(qiáng)筋)