變工況雙蒙皮防冰腔的熱變形分析

于磊　張書曄

摘 要：防冰腔是飛機熱氣防冰系統的核心組成部件，對于雙蒙皮防冰腔結構，熱變形是導致防冰效率降低的主要因素。針對溫度變化引起的防冰腔熱變形問題，采用有限元方法對防冰腔結構進行仿真分析，得到了不同工況條件下防冰腔的熱變形情況以及變化規律。結果表明，雙蒙皮防冰腔在進行間隙設計時，需要考慮熱變形的影響，仿真結果可以為防冰腔的優化設計提供重要的數據支持。

關鍵詞：防冰腔 雙蒙皮 熱變形 變工況 有限元

中圖分類號：V24 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）08（a）-0020-04

防冰腔是飛機熱氣防冰系統的核心組成部件，性能好壞影響到防冰效率。部分防冰腔在設計時采用雙蒙皮結構，這種型式的防冰腔熱能利用率較高，但結構比較復雜。對于雙蒙皮防冰腔結構，熱變形是影響防冰效果的主要因素之一，這是由于防冰腔的內、外蒙皮換熱邊界條件不同，使得兩層蒙皮之間的溫度差異較大，所產生的熱變形也不同，導致初始的裝配精度發生變化。而防冰腔的換熱效率與熱氣流流速、熱氣與蒙皮的接觸面積等參數有關，對于雙蒙皮之間的間隙嚴格控制的防冰腔，熱變形引起的間隙變化，將影響到防冰通道的流速、流量、換熱系數等參數，進而對防冰效果造成影響。

目前國內研究主要集中在飛機結冰模擬、結冰對飛機氣動特性的影響、防冰熱載荷預測、防冰系統性能預測等方面，對于防冰腔內部結構對性能影響的研究較少[1-2]，而溫度變化引起的防冰腔熱變形分析則尚未見到相關報道。

本文利用NASTRAN軟件進行了熱變形分析，考慮了溫度、結構尺寸對防冰腔產生的影響，研究防冰腔在不同工況條件下的熱變形情況以及變化規律，為防冰腔的結構優化設計提供理論依據。

1 熱變形分析理論

熱變形原理非常復雜，目前只能在微觀上給予定性解釋。固體材料的熱膨脹本質上可歸結為點陣結構中各點平均距離隨溫度的升高而增大。

對于溫度場的有限元計算實際是對溫度場微分方程相應的泛函數求極值的過程。采用有限元進行熱變形分析能使計算大為簡化[3]。

2 問題描述及模型建立

以發動機進氣道唇口防冰腔作為研究對象，防冰腔結構見圖1。由發動機壓氣機引來的熱空氣經笛形管上的射流孔流出，從上、下兩個方向進入雙蒙皮間的防冰通道，熱空氣對蒙皮加熱后，進入內蒙皮與后壁板組成的后腔，然后從后壁板上的排氣孔流到機外。由于本文主要研究內、外蒙皮溫度差異引起的熱變形規律，防冰腔模型作了一定的簡化處理，忽略了結構中對防冰腔熱變形影響較小的部件（螺紋孔、螺釘、鉚釘、笛形管）。

使用有限元軟件PATRAN完成三維建模及網格劃分，見圖2（將外蒙皮左側的網格單元隱藏）。仿真模型中采用了四邊形和六面體兩種網格單元，網格單元總數為194046個。

參照表1完成模型的材料屬性定義。防冰腔的材料選擇鈦合金TC4，密度為4440kg/m3，泊松比為0.34，線膨脹系數α、彈性模量E見表1，其它狀態點通過線性擬合獲得。

由于非結冰氣象條件下，防冰腔整體溫度會高于結冰氣象條件[4]，而溫度越高，防冰腔的熱變形量越大，對防冰效果的影響越大。因此，從設計安全性角度考慮，計算中選擇非結冰氣象條件，假定內、外蒙皮溫度均勻分布，內蒙皮溫度160℃，外蒙皮溫度為130℃。受外界氣象條件及飛行工況的影響，外蒙皮溫度將發生變化，將外蒙皮的溫度依次降低至110℃、90℃、70℃、50℃，以研究防冰腔的熱變形規律。蒙皮與后壁板搭接處固支（限定6個自由度），添加重力加速度載荷。

3 仿真結果及分析

經有限元仿真計算，得到不同條件下的仿真變形結果。圖3為外蒙皮溫度50℃時防冰腔的熱變形分布云圖。為對比內、外蒙皮的熱變形量，將圖3中左側的外蒙皮熱變形情況隱藏（防冰腔在結構上左右對稱，對稱位置的熱變形量對稱分布）。

根據防冰腔熱變形仿真結果，防冰腔整體的熱變形方向，沿防冰腔中心對稱點指向進氣道外側，且由于內蒙皮溫度高于外蒙皮，內蒙皮熱變形量高于外蒙皮。圖3中，不同位置處雙層蒙皮的間隙變化情況不同，進氣道內側的雙層蒙皮之間的間隙較初始裝配狀態增大；進氣道外側雙蒙皮之間的間隙反之。

為進一步研究雙蒙皮之間的間隙變化情況，圖4給出了各觀測點（見圖1中標識位置）處雙蒙皮間隙變化量值與蒙皮溫度的關系。

從圖4可以看出，隨著外蒙皮溫度的逐漸升高，內、外蒙皮的溫差逐漸減小，各觀測點處雙蒙皮之間的間隙變化量值也逐漸減小。

由于內蒙皮溫度較高，且防冰腔的最大熱變形量出現在內蒙皮上，為進一步研究壁厚對防冰腔熱變形特性的作用效果，基于第2節的計算參數，進行了如下的拓展計算。由于防冰腔最大熱變形位置在內蒙皮上，因此針對內蒙皮選取了5種壁厚進行了對比分析，壁厚分別為0.5、0.8、1、1.2、1.5mm。

圖5、圖6分別為不同壁厚條件下，內、外蒙皮最大熱變形量隨外蒙皮溫度變化關系。

從圖5可以看出，隨著內蒙皮厚度的增加，內蒙皮最大熱變形量逐漸減小，但變化量相對較小。

從圖6可以看出，隨著內蒙皮厚度的增加，外蒙皮的最大熱變形量逐漸增大。內蒙皮厚度對外蒙皮的最大熱變形量影響相對較大。

圖7、圖8分別為外蒙皮溫度分別為50℃和90℃時，各觀測點（見圖1標識位置）處雙蒙皮間隙變化量隨內蒙皮厚度變化關系。

從圖7、圖8可以看出，隨著內蒙皮厚度的增加，對于進氣道外側的四個觀測點（觀測點1～4），各觀測點處的雙蒙皮間隙變化量值均有所減小，但效果并不明顯，對于進氣道內側的觀測點5～7，當內蒙皮壁厚超過1mm后，雙蒙皮間隙變化量值減小較為明顯。

4 結語

本文利用NASTRAN軟件，對發動機唇口防冰腔的熱變形情況進行仿真分析，研究得到防冰腔的熱變形規律如下。

內、外蒙皮的溫差越大，熱變形量越大；最大熱變形量出現在內蒙皮上，且內蒙皮越薄，最大熱變形量越大。增加壁厚可以減小防冰腔的最大熱變形量，但對于減小進氣道內側雙層蒙皮之間間隙變化的效果更為明顯。

隨著內、外蒙皮的溫差增大，雙層蒙皮之間的間隙變化量增大。內蒙皮熱變形量大于外蒙皮，進氣道外側的間隙較初始裝配狀態減小，而進氣道內側反之。根據仿真結果，當內、外蒙皮溫差為110℃、內蒙皮壁厚0.5mm時，雙層蒙皮間隙變化量在進氣道外側達到最大值0.786mm。

針對防冰腔的熱變形特性，可以看出防冰腔在設計過程中需要預先考慮熱變形的影響，為防冰腔的熱變形留有一定設計余量。本文的研究對發動機唇口雙蒙皮熱氣防冰腔的工程設計有重要的意義。通過建立防冰腔的熱變形分析模型，可以為防冰腔的熱變形補償設計提供參考。

參考文獻

[1] 彭瓏，卜雪琴，林貴平，等.熱氣防冰腔結構參數對其熱性能影響研究[J].空氣動力學學報，2014，32（6）：848-853.

[2] 張峰，姚會舉，南華，等.飛機防冰腔結構參數的重要性測度[J].交通運輸工程學報，2015，15（3）：85-91.

[3] 楊玉龍，關富玲，張淑杰.可展桁架天線溫度場和熱變形分析[J].空間科學學報，2005，25（3）：235-240.

[4] 郁嘉，卜雪琴，林貴平，等.非結冰氣象條件下機翼熱氣防冰系統數值模擬[J].空氣動力學學報，2016，34（5）：562-567.endprint