空空導(dǎo)彈電源模擬負載設(shè)計與熱仿真分析

許連虎，丁新

（1.中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471099；2.航空工業(yè)檔案館，北京 100012）

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空空導(dǎo)彈電源模擬負載設(shè)計與熱仿真分析

許連虎1，丁新2

（1.中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471099；2.航空工業(yè)檔案館，北京 100012）

目的 篩選得到最優(yōu)模擬負載設(shè)計方案。方法 首先對采用功率電阻實現(xiàn)的電源模擬負載結(jié)構(gòu)進行功率和阻值關(guān)系計算，通過計算確定兩套功率電阻阻值方案，然后根據(jù)空空導(dǎo)彈電源考核要求設(shè)計了電源模擬負載，對滿足功率要求的兩套阻值方案進行熱仿真分析，對比選取最優(yōu)的阻值方案。結(jié)果 對基于所選方案制作的模擬負載進行了熱試驗評估，熱仿真結(jié)果與熱試驗結(jié)果對比偏差最大為2℃。結(jié)論 數(shù)據(jù)分析表明，熱仿真所選模擬負載設(shè)計方案合理可行。

熱設(shè)計；熱仿真；熱分析

電源系統(tǒng)是所有用電設(shè)備的核心系統(tǒng)，對于空空導(dǎo)彈來說，電源系統(tǒng)是重要組成部分，其最主要的功能是為導(dǎo)彈提供電源，可以形象地說是導(dǎo)彈的“供血系統(tǒng)”，而電源組件就是“心臟”［1—2］。隨著空空導(dǎo)彈性能的不斷提升，特別是自動駕駛儀技術(shù)的應(yīng)用和導(dǎo)引頭等部件電路的復(fù)雜化，用電要求也隨之更加復(fù)雜，對電源系統(tǒng)的要求也越來越高［1—2］。電源系統(tǒng)的性能不高或存在設(shè)計缺陷，將直接影響導(dǎo)彈的技戰(zhàn)術(shù)指標，降低導(dǎo)彈的可靠性。

為考核某型導(dǎo)彈電源組件的供電能力，需設(shè)計模擬負載，以對電源組件的性能指標進行考核。因模擬負載中使用的功率電阻、焊錫、連接線均有最高允許工作溫度要求［3—5］，溫度是影響其設(shè)計成敗的關(guān)鍵［4—7］。在進行模擬負載方案設(shè)計和選擇時，考慮采用熱仿真分析方法［8—16］，對模擬負載的結(jié)構(gòu)和熱設(shè)計進行仿真驗證，以確定設(shè)計方案是否可行。文中首先進行模擬負載結(jié)構(gòu)設(shè)計，然后進行熱仿真分析和熱試驗［5—7，11］，確保模擬負載結(jié)構(gòu)工作在允許的溫度范圍內(nèi)。

1　模擬負載方案設(shè)計

1.1結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

模擬負載擬采用多個功率型線繞電阻通過串、并聯(lián)實現(xiàn)額定負載。模擬負載的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由5個圓盤組成，4根連接桿將5個圓盤串聯(lián)，功率電阻位于9個圓盤面上。端面和底面上各9只功率電阻，中間7個面各12只功率電阻。每個圓盤面上的電阻并聯(lián)，9個盤面構(gòu)成串聯(lián)。最底端圓盤面上裝有四芯圓形插座1只，用于連接高壓熱電池。

圖1　模擬負載結(jié)構(gòu)Fig.1　Artificial load structure

1.2電阻選擇

設(shè)中間7個圓面上每只功率電阻的阻值為x，第一個和最后一個圓盤上的電阻值為y，熱電池供電電壓300 V，則總功率W為：

中間7個面上每只電阻的功率1W為：

前后兩個面上每只電阻的功率2W為：

功率W，W1，W2和電阻值x，y的關(guān)系如圖2所示。

圖2　功率與電阻值的關(guān)系曲線Fig.2　Correlation between power and resistance

當電源組件的供電功率要求為5 kW時，由式（1）—（3）和圖2可知：當x=25 Ω，y=15 Ω時，W=5023 W，W1=48.7 W，W2=51.9 W；當x=25 Ω，x=14 Ω時，W=5086 W，W1=49.9 W，W2=49.7 W。考慮到最前和最后的平面上電阻較少，散熱較好，取x=25 Ω，x=15 Ω。

目前貨架可供選用的電阻規(guī)格為：7，8，8.45，9，12，13，18，21，24，27，36，40，45，50 Ω。由公式（1）—（3）和圖2可知：x=27 Ω，y=13 Ω時，W=4829 W，W1=48.6 W，W2=41.6 W；x=27 Ω，y=18 Ω時，W=4557 W，W1=43.3 W，W2=51.3 W。

通過上述計算，總功率接近5 kW的阻值方案有x=25 Ω，y=15 Ω；x=27 Ω，y=13 Ω以上兩種阻值方案都可以實現(xiàn)5 kW功率要求，但不同阻值的電阻發(fā)熱情況不同，且阻值15，25 Ω的功率電阻需要特制，為對比選擇較優(yōu)方案，對以上模擬負載的兩種阻值方案開展熱仿真分析。

2　熱仿真分析

2.1試驗原理、方法和步驟

兩套方案除電阻值選擇不同外，結(jié)構(gòu)設(shè)計方案相同，因此，可在CAD模型的基礎(chǔ)上，建立熱仿真模型（CFD模型）。根據(jù)電阻選值方案賦予功率電阻相應(yīng)的功耗值，開展熱仿真計算，獲得結(jié)構(gòu)件和功率電阻的溫度值、溫度場分布，據(jù)此對比判斷方案的優(yōu)劣。

方案1：第2個至第8個面阻值取25 Ω，電阻功率為48.7 W；第1和第9個面阻值取15 Ω，電阻功率為51.9 W；模擬負載總功率W=5023 W。

方案2：第2個至第8個面阻值取27 Ω，電阻功率為48.6 W；第1和第9個面阻值取13 Ω，電阻功率為41.6 W；模擬負載總功率W=4829 W。

2.2試驗數(shù)據(jù)

2.2.1熱仿真條件設(shè)定

本次熱仿真試驗考慮熱傳導(dǎo)+對流（溫差較小，輻射影響可忽略），初始溫度設(shè)為35℃，環(huán)境溫度為35℃，散熱方式為自然冷卻，流體為空氣。

結(jié)構(gòu)件和功率電阻材料設(shè)定為鋁（2A12），密封用殼體和蓋板材料設(shè)定為鈦合金。方案1第1和第9個面電阻功率均設(shè)為51.9 W，第2個至第8個面電阻功率設(shè)為48.7 W；方案2第1和第9個面電阻功率均設(shè)為41.6 W，第2個至第8個面電阻功率設(shè)為48.6 W。

本次仿真時長為60 s，步長為1 s。溫度監(jiān)控點設(shè)置在功率電阻中心，編號與功率電阻相同。編號規(guī)則如下，安裝面從左至右依次編號為1—9，各安裝面功率電阻依次編號。

2.2.2熱仿真結(jié)果

建立的CFD模型如圖3所示。

圖3　模擬負載CFD模型Fig.3　CFD model of the artificial load

按仿真條件設(shè)定進行仿真分析，模擬負載及各安裝面溫度，如圖4、圖5所示，功率電阻溫升曲線如圖6所示。

圖4　溫度云圖（初始環(huán)境溫度為35℃）Fig.4　Temperature cloud chart （initial ambient temperature at 35℃）

圖6　功率電阻溫升曲線Fig.6　Temperature rise curve of power resistance

2.2.3數(shù)據(jù)分析

通過對第3.2.2節(jié)圖表數(shù)據(jù)分析，得到如下結(jié)論：高溫區(qū)集中于前8個面，方案1和方案2中前8個面電阻溫度均高于第9個面；方案1在初始溫度35℃下瞬態(tài)工作60 s時，第2至第8個面功率電阻最高溫度為77.3℃，溫升42.3℃，第1個面功率電阻最高溫度為76.4℃，溫升41.4℃，第9個面功率電阻最高溫度為62.5℃，溫升27.5℃；方案2在初始溫度35℃下瞬態(tài)工作60 s時，第2至第8個面功率電阻最高溫度為77.2℃，溫升42.2℃，第1個面功率電阻最高溫度為72.3℃，溫升37.3℃，第 9個面功率電阻最高溫度為57.3℃，溫升22.3℃；方案1第9個安裝面上功率電阻溫度高于方案2，60 s時溫差約5.2℃。綜合考慮功率和可用電阻阻值，方案2優(yōu)于方案1。

3　熱試驗評估

按照方案2設(shè)計制造了模擬負載，將負載放置于防爆箱內(nèi)，模擬負載封閉空間內(nèi)自然散熱工況，由熱電池供電，進行了點火試驗。60 s末開箱并立即用紅外線測溫儀對功率電阻和安裝面進行測溫，環(huán)境初始溫度為22℃，實測溫度見表1，仿真和熱試驗溫升數(shù)據(jù)見表2。

表1　熱試驗數(shù)據(jù)（環(huán)境溫度22℃）Table 1　Thermal test results （ambient temperature at 22℃）

表2　試驗數(shù)據(jù)對比Table 2　Comparison of the test data

由熱仿真與熱試驗數(shù)據(jù)對比可知，熱仿真溫升數(shù)據(jù)與熱試驗數(shù)據(jù)最大偏差為2℃。考慮開箱后環(huán)境變化的影響，實時監(jiān)測熱試驗數(shù)據(jù)變動情況，發(fā)現(xiàn)間隔數(shù)秒測試數(shù)據(jù)基本一致，環(huán)境影響可忽略。數(shù)據(jù)分析表明，通過熱仿真完成對設(shè)計方案的對比選擇，并成功地對熱設(shè)計效果進行了仿真預(yù)示。

4　結(jié)語

通過熱仿真可對結(jié)構(gòu)方案的熱設(shè)計效果進行模擬計算，然后依據(jù)溫度云圖、溫升曲線的對比分析結(jié)果，可對比選擇熱設(shè)計效果較好的方案。首先設(shè)計了模擬負載的結(jié)構(gòu)，對功率電阻的阻值進行了計算選擇，然后對兩套阻值方案進行了熱仿真分析，最后對選定的方案進行了熱試驗評估。數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，該方案滿足設(shè)計要求，仿真為模擬負載的方案對比提供了有效、可信的數(shù)據(jù)依據(jù)。

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Design and Thermal Simulation of the Airborne Missile Power Artificial Load

Objective In order to select the optimal artificial load design plan.Methods Firstly the correlation between power and resistance was calculated for the power artificial load structure that was realized by power resistor.Two resistance plans were determined through the calculation.Then power artificial load was designed according to assessment requirements on airborne missile.Finally the optimal plan was chosen out through thermal simulation analysis.Results The thermal test evaluation was carried out for the artificial load which was made based on the selected plan.The deviation was no more than 2℃ between the results of thermal simulation and thermal test.Conclusion The data analysis indicates that the selected plan based on thermal simulation is reasonable and feasible.

thermal analysis；thermal design；thermal simulation

2016-03-11；Revised：2016-04-15

10.7643/issn.1672-9242.2016.04.014

TJ76；TN06

A

1672-9242（2016）04-0083-05

2016-03-11；

2016-04-15

許連虎（1980—），男，河南人，博士，高級工程師，主要從事電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計、熱設(shè)計與熱分析等方面的研究。

Biography：XU Lian-hu(1980—),Male,from Henan,Doctor,Senior engineer,Research focus:electronic product reliability design,thermal design and thermal analysis.