封閉式腔體結構反向熱變形設計

朱坤 魏浩

摘要：采用結構反向熱變形設計解決某型腔體結構在高溫環境下向腔體內側凹陷的問題，提高了高溫環境下信號傳遞效率。

關鍵詞：腔體;熱變形;約束

0? ? 引言

現有的某型封閉式腔體結構，在溫度達到30 ℃以上或者陽光長時間照射時，腔體前后兩層柔性泡沫板會發生熱變形，向腔內凹陷，甚至貼合到一起，阻礙內部聲學信號傳輸，影響聲學傳感器信號檢測，甚至使信號無法正常傳輸。針對此問題，需要設計出一種新型腔體結構，在高溫或者陽光長時間照射下，前后兩層柔性泡沫板不發生向腔內的凹陷變形，保證聲學信號的有效傳輸。

1? ? 問題分析

某型封閉式腔體由柔性泡沫板、木襯條組成，通過木襯條將兩層柔性泡沫板相對固定，一端面用柔性泡沫板固定，另一端面開口的密封空腔，如圖1所示。

對柔性泡沫板進行有限元網格劃分，靠近內腔的單元格由于左右被木襯條約束，所以內側的網格單元熱能量只能上下釋放，另外兩個方向的熱能量釋放對腔體凹陷不產生影響，可以不考慮。腔體外側的單元格左右方向和上下方向沒有約束，所以各個方向都可以釋放熱能量。內側單元格上下方向的熱能量釋放比外側單元格上下方向的熱能量釋放占比大，所以柔性泡沫板都會向內腔凹陷。

2? ? 解決方案

針對該問題，可以通過改變柔性泡沫板的約束部位或者在柔性泡沫板內腔側增加約束，使大部分熱能量向外側釋放，保證腔體向外鼓代替向內側凹陷。

2.1? ? 改變泡沫板的約束部位

泡沫板在無約束條件下，單元格6個方向的熱能量釋放應該是相同的，在形成腔體后，熱能量釋放具有的方向性與約束有關。

如圖2所示，本方法將木襯條對泡沫板的約束改到腔體外側，腔體內側的單元格左右方向和上下方向沒有約束，所以各個方向都可以釋放熱能量。外側單元格上下方向的熱能量釋放比內側單元格上下方向的熱能量釋放占比大，所以柔性泡沫板都會向外側鼓。

2.2? ? 在泡沫板的內側面上粘貼玻璃布

原有結構由于泡沫板內腔側釋放的熱能量占比大，考慮在內腔側粘貼玻璃布，如圖3所示，增加約束強度，引導熱能量向外側釋放。玻璃布帶膠粘貼后硬化，內側約束加強，溫度升高后，熱能量向外側釋放，腔體向外側鼓。

3? ? 驗證試驗

改變結構設計后，進行高溫和聲學信號傳遞試驗，如圖4所示，試驗結果跟理論分析基本一致。

3.1? ? 改變泡沫板的約束部位

高溫試驗后，腔體向外側變形，變形量比較小，此時在腔體中心區域放置聲學信號源，進行聲學信號傳遞測試，波形良好，未出現明顯干擾，能滿足使用要求，如圖5所示。

3.2? ? 在泡沫板的內側面上粘貼玻璃布

高溫試驗后，腔體向外側變形，變形量比較大，此時在腔體中心區域放置聲學信號源，進行聲學信號傳遞測試，波形良好，未出現明顯干擾，能滿足使用要求，如圖6所示。

4? ? 結語

本文通過熱變形的定性分析，采用改變約束部位和增強部位約束的設計方法，消除了某型封閉式腔體熱變形凹陷、信號傳遞效率差的缺點，保證了設備整機在高溫環境下能夠正常運行。

收稿日期：2020-08-31

作者簡介：朱坤（1981—），男，江蘇泰州人，工程師，研究方向：機械設計及理論。