飛機隔熱結構熱橋效應分析與實驗

夏 甜， 許 平， 尚 磊， 王 奡

(沈陽飛機設計研究所 結構部， 沈陽 110035)

飛機隔熱結構熱橋效應分析與實驗

夏 甜， 許 平， 尚 磊， 王 奡

(沈陽飛機設計研究所 結構部， 沈陽 110035)

針對飛機隔熱結構中金屬筋條的熱橋問題，設計了兩類典型飛機隔熱結構構型。為了研究分析熱橋效應對隔熱性能的影響，對各構型進行瞬態熱傳導有限元分析，得到在熱面溫度分別為100 ℃，200 ℃，300 ℃，424 ℃時考核點的溫度，并通過隔熱性能實驗驗證了有限元方法的有效性。結果表明：熱橋對隔熱結構的隔熱性能有較大影響，設計隔熱結構時應充分考慮熱橋現象；提出了熱橋阻斷的方法。

隔熱結構；瞬態熱傳導；隔熱性能；熱橋阻斷

高超聲速飛行器外表面在氣動加熱的作用下，通過熱傳導將機體內部結構溫度升高，飛行器隔熱結構的熱傳導分析已經成為結構設計的重要內容[1]。在飛機被動隔熱結構中，為了保證隔熱結構的強度，在隔熱層中常常增加金屬筋條[2]，由于金屬材料的熱導率遠大于隔熱材料的熱導率，會直接導致金屬筋條部分升溫較快，通常將這些金屬筋條稱為熱橋[3]。熱橋的存在會導致機體內部升溫迅速，從而影響隔熱結構的隔熱效果。將金屬筋條在隔熱結構中產生的熱短路[4]現象，稱為熱橋效應。

楊萬楓[5]以船舶冷藏箱的隔熱結構為對象，在理論分析的基礎上，得出熱橋傳熱的數值解。俞文勝等[6]通過ANSYS對冷藏集裝箱側壁進行了穩態傳熱分析，得出真空絕熱板拼接所產生的熱橋對結構隔熱性能影響較大。李微等[7]以TPS系統間連接件的熱橋效應為對象，研究分析了沿厚度方向的熱橋效應引起的熱應力對結構聲振耦合響應的影響。常見的飛機隔熱需求通常是滿足其內部系統的使用溫度，系統距離隔熱結構表面往往有一定距離，這就要求溫度考核點位于空氣處，而以往的隔熱試驗考核點僅位于隔熱結構表面[8-9]。熱橋效應的瞬態傳熱分析及考核點位于空氣處的隔熱性能實驗研究報道較為鮮見。

為了充分研究分析飛機熱橋效應對隔熱性能的影響，本工作首先設計了兩類典型飛機隔熱結構，通過有限元軟件ABAQUS[10]對其進行了不同熱面溫度下的瞬態熱傳導分析；其次制備了隔熱結構試驗件，針對飛機內部系統的隔熱需求，將考核點布置在結構冷面上方的空氣處，進行了隔熱性能實驗，驗證了有限元方法的有效性；最后依據計算分析結果，對比分析了兩類隔熱結構在不同熱面溫度、隔熱時長下，熱橋效應對隔熱性能的影響規律，同時提出了熱橋阻斷方法。

1 飛機隔熱結構設計

兩類典型飛機隔熱結構構型具體參數及結構示意圖見表1。構型1均為加筋壁板結構，其中蒙皮和筋條材料為TC1，結構高度均為20 mm。構型2是以鈦蜂窩(TC4H-6.4-0.1)為主，構型2a是普通的蜂窩結構，構型2b是在蜂窩空腔內部填充氣凝膠。隔熱材料均為氣凝膠(AIC-32AF-600)。金屬結構與氣凝膠之間采用膠接。

2 瞬態熱傳導分析

2.1 隔熱需求

假設某型飛機的隔熱需求為：隔熱結構外部溫度為424 ℃，保溫3 min，內部系統使用溫度≤85 ℃，而系統距隔熱結構冷面距離為150 mm。應用ABAQUS對各構型進行瞬態熱傳導有限元分析。將隔熱結構外蒙皮溫度分別設置為100 ℃，200 ℃，300 ℃，424 ℃，考核距隔熱結構冷面中心150 mm處空氣的溫度。為了更好的比較各構型的隔熱性能，將分析時長定為3 h。如果考核點在3 h內未達到85 ℃，則比較各構型的考核點在3 h時的溫度，溫度越低，說明隔熱性能越好，如果考核點在3 h內達到85 ℃，則比較各構型的考核點達到85 ℃所用時間，時間越長，說明隔熱性能越好。

表1 典型飛機隔熱結構構型Table 1 Typical heat insulation structure configuration of aircraft

2.2 構型Ⅰ隔熱性能比較

圖1 構型Ⅰa的有限元模型Fig.1 Finite element model of the structure Ⅰa

由于構型Ⅰ的結構較復雜，筋條交錯排列，為了更好的掌握熱橋傳熱規律，本工作建立了三維實體有限元模型(如圖1)。材料屬性見表2。建模時，將隔熱結構的外蒙皮簡化為400 mm×400 mm平板，蒙皮和筋條厚度均為1.2 mm。由于有限元ABAQUS默認無實體部分為絕緣體，同時參考考核點位置，在隔熱結構的冷面上方建立300 mm×300 mm的空氣實體，即考核點為空氣實體中心點。而空氣實體外部默認為絕熱。ABAQUS進行瞬態熱傳導分析時，選擇分析步類型為Heat transfer(Transient)，在分析步中設置分析時長為10800 s。同時為提高計算精度，使用二階算法，選擇DC3D20單元，即20節點二階傳熱六面體單元。并假定初始溫度為25 ℃，熱面溫度分別為100 ℃，200 ℃，300 ℃，424 ℃。

經過計算，得到構型1a、構型1b在熱面溫度為100 ℃，3 h后的溫度場分布(見圖2)，從圖2(a)中可以明顯看出，隔熱結構中的金屬筋條溫度非常高，其產生的熱橋使得冷面空氣在靠近筋條部分的溫度遠高于其他部分的溫度。從圖2(b)中可以看出，在隔熱結構內側增加一層隔熱材料，能對金屬筋條的熱橋起到很好的抑制作用。

構型Ⅰ的所有計算結果見表3。從表3中可以看出，當熱面溫度為100 ℃，200 ℃時，3 h后三種構型考核點溫度均不超過85 ℃。構型1b較構型1a的溫度降低了10 ℃，可見構型1b相對于構型1a的隔熱性能優勢相當明顯。

表2 材料屬性Table 2 The material properties

圖2 兩種結構的溫度場分布Fig.2 The temperature field distribution of the two kind of structure (a)structure Ⅰa;(b)structure Ⅰb表3 構型1考核點的溫度及計算時長Table3 The temperature and examination time of the structure Ⅰ’s check point

StructureⅠHotsurfacetemperature/℃Examinationtime/sTemperature/℃StructureⅠa1001080059200108008330025948542474885StructureⅠb10010800492001080069300357085424147485

比較構型Ⅰa和構型Ⅰb考核點在熱面溫度為100 ℃，3 h內的升溫曲線，如圖3所示，在升溫初始階段，構型Ⅰb的升溫曲線較構型Ⅰa的升溫曲線平緩，說明在隔熱結構開始受熱時，構型Ⅰb內側的隔熱層就已經起到阻斷熱橋的作用。而隨著時間的增加，兩者的溫差越大。

圖3 構型Ⅰa和構型Ⅰb考核點的升溫曲線對比 (熱面溫度100 ℃時)Fig.3 Comparison of temperature rise curves of structure Ⅰa and structure Ⅰb test point(hot surface temperature of 100 ℃)

2.2 構型Ⅱ隔熱性能比較

由于構型Ⅱ的蜂窩結構屬于薄壁結構，芯格數量過多，所以在三維建模過程中，為了節省建模時間，有必要將蜂窩結構進行等效簡化[11]。本文中，采用將蜂窩結構等效為三維板的方法，即建立一個等尺寸三維實體，計算其等效物理參數。等效公式參見表4。具體計算結果見表5。

(1)

(2)

(3)

式中：ks為蜂窩胞壁材料的熱導率；kg為蜂窩腔內氣體的熱導率；keff為蜂窩芯體等效熱傳導系數；ρs，cs為蜂窩胞壁材料的密度；ρg，cg為蜂窩腔內氣體的密度；As，Ag為蜂窩單元橫截面內固相和氣相所占面積。

構型Ⅱ的有限元分析結果見表6。從表6中可以看出，在熱面溫度為100 ℃時，構型Ⅱa和構型Ⅱb隔熱性能相當，這表明雖然蜂窩空隙內部填充了氣凝膠，但由于蜂窩內外蒙皮與壁板之間形成的熱橋，導致傳熱達到穩定狀態時，兩構型的穩態溫度仍是一樣的；當熱面溫度為200 ℃，300 ℃，424 ℃時，從隔熱時長來看，構型Ⅱb的隔熱性能明顯好于構型Ⅱa。這表明在高溫短時情況下，蜂窩內部填充的氣凝膠材料可以起到一定的隔熱效果。

表5 構型Ⅱ的等效物理參數Table 5 Physical properties of structure Ⅱ equivalent calculation

表6 構型Ⅱ的考核點溫度及計算時長Table 6 Temperature and examination time of the structure Ⅱ’s check point

3 實驗驗證

為了分析金屬熱橋對隔熱性能的影響，試件為上述兩類被動隔熱結構構型，構型Ⅰ的試件為400 mm×400 mm的加筋壁板，其中蒙皮尺寸為400 mm×400 mm×1.2 mm，筋條尺寸及布置見圖4。構型Ⅱ鈦蜂窩試件尺寸為400 mm×400 mm×15 mm。實驗加熱裝置采用石英燈輻射加熱實驗系統(電源柜、溫度控制/反饋程序、石英燈加熱器)。實驗時，在試件一面外側加熱，保證只有試件一側向盒段里傳導熱量。同時，為避免試件冷面與周圍環境的熱交換，在試件上方布置邊長為300 mm的正方體隔熱罩，實驗方案如圖5所示。測溫點位于隔熱罩中心，實驗過程中實時測量該點的溫度。根據阻力傘艙實際隔熱需求設定了實驗參數及要求，具體參數及要求見表7。實驗時，為判別隔熱罩的隔熱效果，在其外壁面布置一個熱電偶，用以記錄外界環境溫度，經測試，實驗過程中該點溫度均小于40 ℃，表明隔熱罩隔熱效果良好。實驗現場照片見圖6。

依據實驗結果，驗證有限元分析的準確性。實驗終止時，選擇各構型在熱面溫度為100 ℃和424 ℃時的考核點溫度進行比較，比較結果見表8。結果表明：實驗結果與有限元結果誤差為1.8%～10%之間，有限元分析的溫度值均大于實驗結果。引起誤差的來源主要包括：1)實驗采用石英燈輻射加熱系統，有限元方法無法準確模擬出輻射加熱的過程；2)有限元模型中，默認空氣外部為絕熱狀態，而實驗時，空氣外部的隔熱罩無法達到完全絕熱的狀態。

圖4 筋條尺寸及布置Fig4 Size and arrangement of stiffener表7 試驗參數及要求Table 7 Test parameters and requirements

Hotsurfacetemperatureoftestpiece/℃Holdingtime/minRemark100180200180300180424180(1)Thereal?timemeasurementoftemperatureintheprocessoftest；(2)Ifthetestin180minreachedtemperaturemeasuringpointintheprocessoftemperatureof85℃，stoptestimmediately．

圖5 實驗裝置Fig.5 Schematic diagram of the test diagram

圖6 實驗現場照片Fig.6 Test site photos表8 實驗結果與有限元結果比較Table 8 Comparison of test results and finite element results

StructureHotsurfacetemperature/℃Endoftheexperimenttime/sTestresult/℃Resultsoffiniteelementmethod/℃Error/%Ⅰa1001080055597．24248948587．83．2Ⅰb1001080044．5491042416018587．42．8Ⅱa1001080062．5677．24241458587．61．9Ⅱb1001080062666．54242298588．33．9

4 結 論

(1)金屬筋條產生的熱橋對隔熱結構的隔熱性能影響不容忽視，其影響隨時間增加而增大；

(2)設計隔熱結構時，如有金屬筋條，則有必要在筋條外部增加一層隔熱材料來減弱金屬筋條產生的熱橋；

(3)對于在蜂窩內部填充隔熱材料的隔熱結構，低溫長時情況下，其隔熱性能與普通蜂窩結構相當，高溫短時情況下，其隔熱性能優于普通蜂窩結構。

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(責任編輯：張 崢)

Analysis and Experimental on AircraftInsulation Thermal Bridge Effect

XIA Tian， XU Ping， SHANG Lei, WANG Ao

(Shenyang Aircraft Densign & Research Institute， Shenyang 110035，China)

Two kinds of typical aircraft insulation structures were designed for the heat bridge in the metal ribs of aircraft insulation structures. In order to study the influence of heat bridge effect on thermal insulation performance, each configuration was analyzed by the transient heat transfer FEA, check point temperature was obtained in the hot surface temperature of 100 ℃, 200 ℃, 300 ℃, 424 ℃ respectively, and the validity of FEA was proved by insulation performance experiment. The result showed that the thermal bridge has a great influence to the insulation performance of insulation structure, and the thermal bridge influence should be considered adequately when the insulation structure designed. Additionally, the blocking method for thermal bridge is also put forward.

insulation structure; transient heat transfer; insulation performance; bridge blocking

2016-08-22；

2016-10-20

FGRJG基金項目(A0520132017)

夏甜(1986—)，女，碩士，工程師，主要從事飛機結構設計，(E-mail)xiamelon@126.com。

10.11868/j.issn.1005-5053.2016.000147

V222

A

1005-5053(2017)03-0091-06