一种飞机构件热试验的试验件复杂温度场重构方法

技术领域

本发明属于热试验试验件温度场重构技术领域，具体涉及一种飞机构件热试验的试验件复杂温度场重构方法。

背景技术

目前，飞机构件的试验件的热试验温度响应主要采用的方法包括接触测量与非接触测量两大类获取方法，其中，非接触测量在目前的技术水平下使用条件有限，以热电偶为主的接触式测温仍为主流测温方法，热电偶因其响应快，测温准确等优点被广泛应用于结构热试验中，但由于通道数、试验件几何形状等限制，接触式测量布置的温度实际测温点往往是有限的，因此，根据试验测试数据插值出的试验件温度场往往与实际试验状态下试验件的复杂温度场存在较大差异。所以，现需要一种能够更加准确地重构热试验中试验件的复杂温度场的方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种飞机构件热试验的试验件复杂温度场重构方法，通过获取灯丝的实际时变温度边界，将实际时变温度边界赋予试验件加热有限元模型，再对试验件加热有限元模型的时变温度边界进行修正，以仿真获得的试验件表面仿真温度场代替试验数据插值获得的温度场，能够更加准确地重构实际热试验中试验件表面的复杂温度场，以便进一步进行的热应力分析、热模态分析等分析结果更加准确。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种飞机构件热试验的试验件复杂温度场重构方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、使用石英加热器进行试验件的实际热试验：所述试验件的表面具有M个温区，每个温区各由一个石英加热器进行加热，一个石英加热器内具有N个灯丝，N为正整数；

步骤二、获取各个石英加热器中的灯丝的实际时变温度边界和试验件的各个温区对应的实际测温点的实际温度；

步骤三、针对实际热试验中的试验件和对试验件进行加热的石英加热器建立试验件加热有限元模型；

步骤四、将石英加热器中的灯丝的实际时变温度边界赋予试验件加热有限元模型中的灯丝模型，得到试验件的初始表面仿真温度场；

步骤五、对比各个实际测温点的实际温度和初始表面仿真温度场中与各个实际测温点对应的模型节点的仿真温度，根据对比结果对试验件加热有限元模型中的灯丝模型的时变温度边界进行修正；

步骤六、循环执行步骤四至步骤五，直至试验件加热有限元模型仿真精度满足要求，对该试验件加热有限元模型进行有限元仿真计算，得到修正后的试验件表面仿真温度场，修正后的试验件表面仿真温度场即为实际热试验中试验件的表面真实温度场。

上述的一种飞机构件热试验的试验件复杂温度场重构方法，其特征在于，步骤二的具体步骤为：

步骤201、获取实际热试验中试验件表面的第m个温区对应的第n个灯丝的电压随时间的变化关系；

步骤202、根据灯丝的电压-温度关系，得到第m个温区对应的石英加热器中的第n个灯丝上的温度随时间变化的关系，即第m个温区对应的石英加热器中的第n个灯丝的实际时变温度边界

步骤203、获取实际热试验中的第m个温区内的实际测温点在第i个采样时刻的实际温度

上述的一种飞机构件热试验的试验件复杂温度场重构方法，其特征在于，步骤202中灯丝的电压-温度关系的获取方法为：基于灯丝在不同温度下的物理特性，通过公式

上述的一种飞机构件热试验的试验件复杂温度场重构方法，其特征在于，步骤四中，将实际热试验中第m个温区对应的石英加热器中的第n个灯丝的实际时变温度边界

上述的一种飞机构件热试验的试验件复杂温度场重构方法，其特征在于，步骤501、获取试验件加热有限元模型中与第m个温区内的实际测温点对应的模型节点在第i个采样时刻的仿真温度

步骤502、根据公式

步骤503、根据公式

步骤504、根据公式

本发明与现有技术相比的区别技术特征为：本发明通过获取灯丝的实际时变温度边界，将实际时变温度边界赋予试验件加热有限元模型，再对试验件加热有限元模型的时变温度边界进行修正，以仿真获得的试验件表面仿真温度场代替试验数据插值获得的温度场，能够更加准确地重构实际热试验中试验件表面的复杂温度场，以便进一步进行的热应力分析、热模态分析等分析结果更加准确。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明实际热试验中灯丝与其对应的温区上的实际测温点的位置关系示意图。

图2为本发明的方法流程框图。

附图标记说明:

1—灯丝； 2—温区。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明的一种飞机构件热试验的试验件复杂温度场重构方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、使用石英加热器进行试验件的实际热试验：所述试验件的表面具有M个温区2，每个温区2各由一个石英加热器进行加热，一个石英加热器内具有N个灯丝1，N为正整数；

步骤二、获取各个石英加热器中的灯丝的实际时变温度边界和试验件的各个温区对应的实际测温点的实际温度；

步骤三、针对实际热试验中的试验件和对试验件进行加热的石英加热器建立试验件加热有限元模型；

步骤四、将石英加热器中的灯丝的实际时变温度边界赋予试验件加热有限元模型中的灯丝模型，得到试验件的初始表面仿真温度场；

步骤五、对比各个实际测温点的实际温度和初始表面仿真温度场中与各个实际测温点对应的模型节点的仿真温度，根据对比结果对试验件加热有限元模型中的灯丝模型的时变温度边界进行修正；

步骤六、循环执行步骤四至步骤五，直至试验件加热有限元模型仿真精度满足要求，对该试验件加热有限元模型进行有限元仿真计算，得到修正后的试验件表面仿真温度场，修正后的试验件表面仿真温度场即为实际热试验中试验件的表面真实温度场。

本实施例中，一个温区2内具有一个实际测温点，实际测温点的温度值是利用温度传感器贴附在试验件表面进行测量得出的。

本实施例中，步骤六中，根据各个实际测温点的实际温度和步骤五中选取的对应的模型节点的仿真温度的差值，判断试验件加热有限元模型的仿真精度，当温度误差低于10%时，即认为满足精度要求；在实际工程中，温度误差的实际取值需要根据实际工程的要求来确定。

本实施例中，所述飞机构件包括飞机表面热防护层，在飞机表面热防护层上选取块状区域作为试验件。

需要说明的是，基于石英加热器中的灯丝的电热特性，得到灯丝的电压-温度关系，从而得到灯丝的实际时变温度边界，再将实际时变温度边界赋予试验件加热有限元模型，使仿真结果更加准确；

将各个实际测温点的实际温度和初始表面仿真温度场中与各个实际测温点对应的模型节点的仿真温度进行对比，根据对比结果对试验件加热有限元模型的时变温度边界进行修正，以仿真获得的试验件表面仿真温度场代替试验数据插值获得的温度场，能够更加准确地重构实际热试验中试验件表面的复杂温度场，以便进一步进行的热应力分析、热模态分析等分析结果更加准确。

本实施例中，步骤二的具体步骤为：

步骤201、获取实际热试验中试验件表面的第m个温区2对应的第n个灯丝1的电压随时间的变化关系；

步骤202、根据灯丝1的电压-温度关系，得到第m个温区2对应的石英加热器中的第n个灯丝1上的温度随时间变化的关系，即第m个温区2对应的石英加热器中的第n个灯丝1的实际时变温度边界

步骤203、获取实际热试验中的第m个温区2内的实际测温点在第i个采样时刻的实际温度

本实施例中，步骤202中灯丝1的电压-温度关系的获取方法为：基于灯丝1在不同温度下的物理特性，通过公式

本实施例中，所述灯丝1为钨丝，灯丝1电阻率ρ随灯丝1温度的变化而变化；

本实施例中，实际计算时，将灯丝1伸展后的圆柱状灯丝1的侧面积看做灯丝1发热面积

本实施例中，根据钨的发射率及电阻率与温度的关系，并结合插值法获得灯丝1在各温度下的发射率ε和电阻率ρ，并将其带入上述的电压-温度关系公式中进行迭代计算，即可得到灯丝1在对应电压下的温度值。

本实施例中，步骤四中，将实际热试验中第m个温区2对应的石英加热器中的第n个灯丝1的实际时变温度边界

本实施例中，步骤五的具体步骤为：

步骤501、获取试验件加热有限元模型中与第m个温区2内的实际测温点对应的模型节点在第i个采样时刻的仿真温度

步骤502、根据公式

本实施例中，实际热流

步骤503、根据公式

步骤504、根据公式

需要说明的是，步骤503的公式是根据辐射传热四次方定律推算得到的。

需要说明的是，图1中的线段

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。