一种基于ansys-apdl语言开发的复杂热环境下球形光学头罩瞬态热-结构耦合分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于气动光学效应研究领域，设及一种基于ANSYS-AP化语言开发的复杂 热环境下球形光学头罩瞬态热-结构禪合分析方法。
【背景技术】
[0002] 气动热环境下球形光学头罩由于热传导和热应力等效应导致头罩材料的外形和 光学性质发生变化，进而影响来自目标的红外福射光线传输，使得高速飞行器成像探测系 统对目标图像产生像模糊、抖动、偏移和能量衰减，最终将严重影响高速飞行器的探测性 能。飞行器在大气层中高速飞行时其头罩与来流之间发生剧烈的相互作用，头罩温度升高， 使光学成像探测系统处于复杂的气动热环境中，该种效应称为飞行器光学头罩气动热效 应。球形头罩气动热效应中离不开热量的传递，因此在换热、力学边界条件已知的情况下， 利用有限元分析软件ANSYS对头罩进行热-结构禪合计算，可得到气动热环境下头罩的温 度场、热应力场、热应变场和热形变场等结果数据文件。后续我们可W根据已得到的结果数 据利用热光效应和弹光效应原理，计算头罩在气动热环境下的折射率场，为气动热环境下 高速飞行器外流场和头罩光传输仿真分析和头罩热福射计算提供数据支持。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是提供一种基于ANSYS-AP化语言开发的复杂热环境下球形光学头 罩瞬态热-结构禪合分析方法。在本发明中，用ANSYS-AP化语言开发了一种外表面热流密 度W及气动压力随时间变化的瞬态仿真计算法，通过开发的AP化命令流可W-次性计算 得到球形光学头罩在气动热环境下的热响应结果（包括光学头罩在气动热环境下的温度 场、热应力场、热应变场和热形变场），避免了之前同一类问题多次使用用户界面进行加载 费事、费力、易错等缺点，而且通过宏的使用成功实现了头罩外表面热流密度和气动压力随 时间变化情况下头罩气动热响应的动态计算。
[0004] 本发明的目的是通过W下技术方案实现的：
[0005] -种基于ANSYS-AP化语言开发的复杂热环境下球形光学头罩瞬态热-结构禪合 分析方法，包括W下步骤：
[000引一、基于AP化语言的任意球形光学头罩有限元模型的建立
[0007] 在对复杂热环境下球形光学头罩进行瞬态热-结构禪合分析时，首先应依据分析 的类型选定对应的有限元模型，在AP化中依靠命令ET进行有限元模型的定义。由于本发 明要对复杂热环境下球形头罩进行热-结构分析，所W在所编写的AP化语言中所采用的类 型为planelS与solids。在选定有限元类型并进行定义后，进行仿真模型的建立过程。依 据球形头罩的内外半径r'与r W及头罩顶端到底端的距离d =个几何参数，进行球形头罩 计算模型的建立。在使用AP化语言建立部分圆环模型时，需要将头罩顶端到底端的距离d 转化为部分圆环所对的圆屯、角e，利用AP化中命令中PCIRC命令生成对应角度的计算模 型。在本发明中，所建立的部分圆环结构如图1所示，图示中的圆屯、角为83. 475度。
[0008] 接下来通过编写AP化命令对上述建立的部分圆环的四条边界线进行网格大小W 及网格划分类型的控制，可W按照要求精度的高低自由限制划分网格的大小，网格划分类 型采用二维平铺式。然后采用AP化中的AME甜命令划分网格，在本发明中采用上述方法划 分网格后结果如图2所示。
[0009] 在得到如图2所示的有限元模型后，我们通过AP化中VR0TAT命令控制该模型绕 坐标轴或是过两个特定关键点的直线旋转一定的度数，进而生成最终的有限元分析模型。 具体旋转的度数应按照实际模型来确定，在本发明中图3-4中所示的球形头罩内外侧有限 元模型是由图2所示的部分平面圆环旋转360度形成的。如果仅分析其中的一部分，可W 选择旋转0°到360°的任意角度来建立模型。
[0010] 二、基于AP化语言的球形光学头罩计算时间参数W及材料物理参数的确定
[0011] 在使用APDL进行计算时，需要对计算时间总长、计算时间步长、估计烙化时间、飞 行时间间隔W及子载荷的步数进行合理的设定。由于在后续研究中要利用本发明所得的数 据结果结合热光效应与弹光效应计算气动热环境下高速飞行器光学头罩的折射率，所W在 对材料的物理特性输入时，需要考虑材料的非线性特性。
[0012] 在本发明中，使用AP化载入的头罩光学晶体材料的物理特性参数包括；该材料 的弹光系数、导热系数、弹性模量、热膨胀系数、屈服强度、烙点、切变弹性模量、0光折射率、 e光折射率、0光热光系数、e光热光系数、比热容、密度和泊松比。在球形光学头罩材料确定 的情况下，W上数据均可查阅相关资料得到。在得到W上所提的材料物理参数后，使用AP化 中的MP，TB，TBTEMP，TBDATA等命令对相应的物理量进行定义与输入。
[0013] S、基于AP化语言的随时间变化的热流密度W及气动压力的换热W及力边界条 件的加载
[0014] 在对球形光学头罩进行热-结构禪合计算时需要输入换热与力边界条件。本发明 在利用ANSYS对球形光学头罩进行热分析时，所加载的换热边界条件包括；头罩外侧气流 温度、头罩内侧气流温度、头罩内侧对流换热系数、头罩外表面气动热流密度分布数据文件 (flux_out. dat)、头罩初始温度和头罩热应力计算参考温度。其中头罩内侧温度分布假设 为均匀分布，取为300K，头罩内侧对流换热系数可依据头罩内外温度差W及头罩材料查阅 资料得到，本发明中球形光学头罩内侧对流换热系数为10。
[0015] flux_out. dat文件的数据结构如图5所示；文件中第1行，第14行，… 第l+13*(i-l)行分别表示第i个时间间隔表示的计算时间，文件第2-13行，第 化13Q-1)-化13*i行分别表示第i个时间间隔内头罩外表面第1-12个区域内气动热流密 度，因此本发明可W计算当头罩外表面热流密度随时间变化情况下头罩气动热响应。
[0016] 对应的力学边界条件包括；头罩内侧均一分布气压W及头罩外表面气动压力分 布数据文件pres_out. dat, pres_out. dat文件的数据如附图6所示；文件中第1行，第 14行，…第l+13*(i-l)行分别表示第i个时间间隔表示的计算时间，文件第2-13行，第 化13Q-1)-化13*i行分别表示第i个时间间隔内头罩外表面第1-12个区域内气动压力，因 此本发明可W计算当头罩外表面气动压力随时间变化情况下头罩气动热响应。
[0017] 四、基于AP化语言的求解控制W及结果后处理
[0018] 根据表1，该部分内容对应于表1中的运行2与运行3。本发明在进行求解计算 时，充分利用了 AP化语言的二次开发功能，采用宏进行多层循环的控制。在本发明中采用 *if-then-else，*endif命令在每个载荷步进行之前比较计算所得的最大温度与材料烙点 的关系，来判断此载荷步是否进行。采用*do，*enddo命令来控制循环的次数W及计算的时 间总长。当计算达到时间总长时，循环结束，然后可W根据实际要求计算得到时间总长范围 内不同时刻的热响应结果。
[0019] 另外，在本发明中通过编写AP化命令控制ANSYS通用后处理器，经过ANSYS求 解后，对球形头罩所有节点的温度、热应变、热应力、热形变数据利用*get，*do, *enddo， *cfopen，*cfclos等命令按照要求的格式输出数据文件。在本发明中，采用W下AP化语言 获得了 86406个节点沿X，Y，Z轴方向的变形数据，其他结果数据均可采用类似方法进行输 出。
[0020] *do,j，1，吨oints
[0021] *get，ux，node,j，u，X
[0022] *get，uy，node,j，u，y
[0023] *get，uz，node,j，u，z
[0024] *vwrite，j，ux，uy，uz
[00巧] (fl5. 1，f25. 10, f25. 10, f25. 10)
[0026] *enddo
[0027] 另外为了数据更加直观，在仿真过程中可W根据需求输出温度、不同轴方向的热 应变、热应力、热形变等值线分布图，在本发明中给出了计算时刻为Is时的沿X轴方向的热 形变与沿Y轴方向的热应力等值分布图结果如图8-9所示。
[002引在本发明中，采用了 ANSYS批处理炬atch)方式，首先通过使用AP化命令流，可灵 活建立任意尺寸的球形头罩，且头罩顶端到底端距离也可依据用户要求做出改动。接下来 在本发明中依靠AP化语言对所建立的计算模型进行网格划分，并将划分网格后节点的坐 标数据写入文件。然后对前边已经建立的有限元模型进行换热与力边界条件载荷的施加， 并进行求解。在换热边界条件的施加方式上，本发明可W实现随时间动态变化的热流的施 加，进而可W得到总时间范围内任意时刻球形光学头罩的温度场、热应力场、热应变场和热 形变场。最后通过AP化控制ANSYS后处理器按要求输出头罩温度、热形变、热应变、热应力 数据W及对应的等值线分布图。其次，可W根据实际情况对所编写的AP化命令进行简单的 修改，使其能拥有更更加广泛的应用范围，不仅仅局限于球形光学头罩的分析。
[0029] 本发明通过AP化命令可W实现任意尺寸球形光学头罩模型的建立，通过控制头 罩底端到顶端的距离与部分圆环所对的圆屯、角的转化关系，达到了灵活建立模型的目的。 另外相比较直接采用用户界面进行分析的过程，本发明避免了同一类问题多次进行加载费 事、费力、易错等缺点，而且通过宏的使用成功实现了头罩外表面热流密度和气动压力随时 间变化情况下头罩气动热响应的动态计算。
【附图说明】
[0030] 图1为利用AP化语言建立的对应角度的部分圆环结构图；
[0031] 图2为部分圆环结构二维网格划分结果示意图；
[003引图3为由AP化从面旋转到体建立的球形头罩内侧有限元模型；
[003引图4为由AP化从面旋转到体建立的球形头罩外侧有限元模型；
[0034] 图5为球形头罩外表面气动热流密度数据存放格式示意图；
[0035] 图6为球形头罩外表面气动压力数据存放格式示意图；
[0036] 图7为球形头罩所划