臨近空間浮空器熱-結(jié)構(gòu)耦合數(shù)值模擬研究.pdf

1、作為高空平臺,臨近空間浮空器由于滯空時間長、低成本和可重復使用等優(yōu)點,在軍事上具有很好的使用價值,美、韓、日等國家已經(jīng)對其開展了大量研究。在浮空器設(shè)計領(lǐng)域,一個很重要的問題是在設(shè)計和運行控制中預測內(nèi)部氣體溫度變化特性,因為浮空器浮力取決于囊體內(nèi)的氣體溫度與環(huán)境空氣溫度的差值。平流層浮空器外部蒙皮主要采用膜結(jié)構(gòu),其整體剛度小,一般為柔性,內(nèi)部氣體溫度變化會導致浮空器蒙皮結(jié)構(gòu)發(fā)生非線性變形,反之,浮空器結(jié)構(gòu)變形也會影響到內(nèi)部氣體溫度變化。因

2、此,浮空器熱力學與結(jié)構(gòu)力學的相互作用是一個復雜的熱-結(jié)構(gòu)耦合問題。
　　本文圍繞著臨近空間浮空器熱-結(jié)構(gòu)耦合問題開展了一系列研究,主要工作和成果如下:
　　(1)建立了平流層飛艇熱力學模型,據(jù)此設(shè)計了計算程序,并用實驗數(shù)據(jù)驗證了其準確性。用實驗數(shù)據(jù)驗證的計算程序?qū)ζ搅鲗语w艇滯空過程中的熱力特性進行了分析,給出了飛艇蒙皮和內(nèi)部氣體溫度瞬態(tài)變化規(guī)律,并研究了蒙皮輻射物性參數(shù)、周圍風速以及飛艇姿態(tài)角對飛艇內(nèi)部氣體溫度以及蒙皮溫差的

3、影響。
　　(2)建立了飛艇表面光伏電池的三層導熱模型,結(jié)合平流層飛艇的熱力學模型獲得了光伏電池與平流層飛艇耦合分析模型。根據(jù)所得數(shù)學模型,對平流層飛艇熱特性計算程序進行了升級。利用升級后的計算程序,分析了光伏電池熱力特性及其輸出功率,研究了緯度和風速對光伏電池輸出功率的影響以及光伏電池對飛艇熱特性的影響。
　　(3)建立了膜結(jié)構(gòu)數(shù)學模型,據(jù)此設(shè)計了柔性薄膜變形計算程序,并進行了驗證。將膜結(jié)構(gòu)數(shù)學模型與飛艇的熱力學模型相耦合

4、,在此基礎(chǔ)上設(shè)計出了平流層飛艇熱-結(jié)構(gòu)耦合數(shù)值模擬程序。利用該程序?qū)︼w艇蒙皮結(jié)構(gòu)力學特性進行了研究,分析了蒙皮內(nèi)外壓差、蒙皮彈性模量以及泊松比等參數(shù)變化對飛艇蒙皮結(jié)構(gòu)變形以及蒙皮應(yīng)力的影響,為飛艇蒙皮結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了參考依據(jù);對飛艇定點懸停過程中夜間和正午時刻進行了穩(wěn)態(tài)熱-結(jié)構(gòu)耦合分析,揭示了蒙皮彈性模量、蒙皮輻射參數(shù)對飛艇內(nèi)部氣體溫度、內(nèi)外壓差、飛艇體積以及滯空高度的影響;對飛艇滯空飛行和滯空懸停兩種工作情況下的瞬態(tài)過程進行了熱-結(jié)構(gòu)耦

5、合分析,預測了平流層飛艇內(nèi)部氣體晝夜溫度變化以及蒙皮內(nèi)外壓差晝夜變化情況,計算出了蒙皮最大應(yīng)力,作為判斷平流層飛艇滯空過程中是否會出現(xiàn)破裂的依據(jù)。
　　(4)建立了高空超壓氣球熱-結(jié)構(gòu)耦合數(shù)學模型,據(jù)此設(shè)計出了高空超壓氣球熱-結(jié)構(gòu)耦合數(shù)值模擬程序。利用該程序?qū)Τ瑝簹馇蛎善そY(jié)構(gòu)力學特性進行了研究,分析了加強筋數(shù)量、最大瓣角、蒙皮和加強筋彈性模量、蒙皮泊松比等參數(shù)變化對超壓氣球性能的影響,并對“南瓜形”與正球形(含加強筋、不含加強筋)