平板加热虚拟试验

杨志斌，秦 强，曲林锋

(1.中国飞机强度研究所，陕西 西安 710065；2.沈阳飞机设计研究所，辽宁 沈阳 110035)



平板加热虚拟试验

杨志斌1，秦 强1，曲林锋2

(1.中国飞机强度研究所，陕西 西安 710065；2.沈阳飞机设计研究所，辽宁 沈阳 110035)

针对平板加热工程问题，在MSC.Patran环境中，应用热流计算公式，通过PCL的二次开发，实现了全参数设计的平板加热试验数值仿真，以此进行结构热强度虚拟试验。通过改变灯管与反射板的距离和灯管与试验件表面的距离，计算出平板试验件的表面热流。采用平板加热虚拟试验，可以对石英灯加热装置进行优化设计，为加热器的功率选取、加热器与试验件的距离设定提供理论参考。

热流；平板加热器；PATRAN；PCL；二次开发

1 引 言

对于温度在1200℃以内的热试验，国内外通常采用石英灯阵列作为加热装置，这是由石英灯的特性决定的。石英灯具有热惯性小、电控性能优良、发热功率大、体积小、可组成不同尺寸和形状加热装置的优点，既适用于小型热试验，也适用于大型全尺寸的结构热试验[1-2]。

文献[3]通过理论和试验相结合的方法，对石英灯加热器的放大倍数、时间常数等主要特性参数进行了研究。文献[4]通过对红外灯电流-电阻相关分析和数值拟合，建立了红外灯的功率计算模型和红外灯灯丝温度计算模型以及红外灯石英玻璃管的温度计算模型，给出了红外灯在不同电流下光谱分布模型。文献[5]基于蒙特卡罗方法，对单一石英灯加热器内部热流分布进行了数值模拟仿真，同时对灯与灯间距、灯高度、反射板高度以及侧挡板高度进行了详细分析。

本文基于文献[1]提供的石英灯阵列工程计算方法，建立了虚拟试验平台，对石英灯阵列应用MSC.Patran的PCL[6]二次开发语言进行全参数化设计，对主要的PCL函数进行了描述，给出平板试验件理论计算的热流曲线和云图显示结果。通过调节试验件表面到反射板距离和试验件表面到试验件表面的距离，进行了一系列计算，并与试验结果进行了比较，为更合理优化加热器内部热场分布提供理论参考，同时，可以大大缩短石英灯热试验装置的设计周期，提高热试验质量。

2 PCL程序设计过程

应用MSC.Patran的PCL语言，可以方便地完成创建用户界面控件、读写MSC.Patran数据库等操作。并且，它提供了丰富的菜单库和大量的有限元处理函数，供用户将自主开发的分析程序集成于MSC.Patran系统中。PCL是MSC.Patran开放性的主要体现。

2.1 PCL类

PCL类用于编制用户界面，由PCL函数组合而成。在PCL语言中，用Classname.Fname的方式来调用类中的某一函数。PCL类的结构如下[7]：

CLASS classname

CLASSWIDE declarations. . .

//定义在整个类范围中使用的变量

FUNCTION init ( )

//初始化函数，该函数必须包括下述两个变量

Declarations

Statement

END FUNCTION

FUNCTION display( )

//显示函数

Declarations

Statement

END FUNCTION

FUNCTION fname( ARGLIST )

//其它函数

Declarations

Statement

END FUNCTION

END CLASS / *类定义结束*/

2.2 自定义函数与菜单

PCL的自定义函数格式如下：

FUNCTION Fname( ARGlist )

Declarations

Statement

END FUNCTION

自定义菜单类的示例如下：

CLASS usermenu

FUNCTION init( )

WIDGET menubar,menu,item1

Menubar = uil_primary.get_menubar_id( )

//建立菜单

Menu = ui_menu_create(menubar, @

"usermenu", "your usermenu name")

//建立菜单项1

item1 = ui_item_create @

(menu,"1","your usermenu item1",false)

END FUNCTION

FUNCTION usermenu( item_name )

STRING item_name[]

SWITCH ( item_name )

CASE( "1" )

Userfunc(arglist)

//调用菜单项1处理函数

END SWITCH

END FUNCTION

END CLASS

对于编写的PCL函数，在涉及菜单和窗体时，一般选取MSC.Patran提供的参数，这些参数只有通过CPP编译才能得到真正的界面数据。CPP编译方法为：在命令提示符环境，进入PCL程序的当前子目录，键入下面一行参数：

CPP -id fname.pcl fname.cpp

2.3 自定义初始化文件

MSC.Patran运行时，首先要执行init.pcl文件，该文件在MSC.Patran的安装目录下，可修改该文件，加入自定义函数。如加入语句：

!!INPUT usermenu.pcl

//加载usermenu.pcl文件

ui_exec_function("usermenu", "init" )

//调用usermenu的init函数建立菜单

当MSC.Patran启动后，用户就能直接访问菜单，并调用相应处理函数。

3 平板加热虚拟试验流程

3.1 理论描述

将典型的热测试装置理想化为图1所示的加热器装置，N个灯管平行排列，距离平板表面的距离为D；灯管距离坐标原点X=0的距离为Y(i)，i=1～N。认为灯管是无限长(垂直于插图平面)，被放置在反射率为U1(反射辐射和入射辐射的比)的反射器后面，反射器与构件平行，并且尺寸是无限长的。反射率为U2的防护罩位于参考平面X=0的位置。参数的定义见表1。

图1 平板加热器结构示意图

参数名物理意义数据类型单位D灯到平面的距离实型cmR灯到反射器的距离实型cmU1反射率实型U2防护罩的反射率实型M热流计算点数整型N灯管个数整型X0计算时X的初始值实型cmXMAX计算时X的终止值实型cmY(N)灯管到防护罩的距离实型数组cmWATT灯的输出功率实型kW

热流计算公式为：

(1)

公式(1)为英制单位，通过单位换算改为国际单位制：

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

公式(3)是直接入射得到的正交平面热流值；公式(4)是来自平行反射器U1；公式(5)是从反射器U2得到的平面热流值；公式(6)是从反射器U1和U2共同得到的热流。

3.2 平板加热器全参数化设计

根据平板加热器的参数形式，设计了参数输入菜单，图2显示了下拉式参数菜单。主要的PCL函数是：

uil_primary.get_menubar_id()

//得到MSC/PATRAN菜单标识号

ui_menu_create()

//创建菜单

ui_cascadeitem_create()

//创建菜单条目

ui_item_create()

//创建子菜单

ui_exec_function()

//显示菜单条目

图2 平板加热器虚拟试验

3.3 平板加热器的参数输入窗体

根据平板加热器的参数描述，应用MSC.Patran的PCL语言编写了输入窗体(见图3)。该程序需要应用MSC.Patran提供的窗体框架定义(appforms.p，appstrings.p，uiforms.p)，同时，所编写的PCL程序需要应用CPP编译转换为CPP程序，以此就包含了窗体框架定义参数。主要的PCL函数是：

ui_form_create()

∥建立窗体

ui_labelicon_create()

//建立标识符

ui_databox_create( )

//数据输入

ui_form_hisplay( "Flat_heater" )

//显示窗体

ui_form_hide( "Flat_heater" )

//隐藏窗体

ui_writec()

//消息输出

ui_wid_get(databox1_id,"VALUE",d)

//获取输入数据

图3 平板加热器的参数输入菜单窗体

3.4 绘制几何图形

几何图形的绘制是应用MSC.Patran的PCL语言，按照图3输入的几何参数进行的，其绘制的几何图形见图2的Flat_Heater图框，其中粗线为热流计算有效区域。主要的PCL函数是：

ga_group_create("Current_Flat_Heater")

//新建组

ga_group_current_set("Current_Flat_Heater" )

//获取当前组

sgm_const_curve_2d_circle_v2()

//画圆

sgm_transform_translate()

//复制圆

asm_const_line_2point()

//画线段

3.5 进行热流计算

按照理论公式(1)以参数化方式编程，英制单位转换为国际单位，进行动态计算，得到试验件有效区域的表面热流计算结果。

3.6 绘制热流曲线

根据计算结果，按照MSC.Patran所需要的数据格式绘制热流曲线，绘制的曲线见图2的Heat_Flu_Curve图框，主要的PCL函数是：

xy_curve_data_file_get( @

"platheater.xyd", "Heat_Flux", 1 )

xy_curve_func_set( @

"Heat_flux", "Spline" )

xy_curve_symbol_color_set( "Heat_Flux", 3 )

xy_curve_symbol_size_set("Heat_Flux", 3 )

xy_curve_thickness_set( "Heat_Flux", 2 )

xy_curve_display_symbol_set(@

"Heat_Flux",TRUE)

3.7 绘制热流云图显示

平板试验件云图显示应用了MSC.Patran的PCL函数fem_verify_display，其参数为：

default_group，缺省组名，为字符参数；

amin，平板试验件的最小热流，为实型参数；

amax，平板试验件的最大热流，为实型参数；

adelt，平板试验件的热流增量，为实型参数。

热流云图显示结果见图2的热流云图显示图框。

4 实例计算

对于本问题，改变灯管与反射板的距离而其它参数不变，选取了9种尺寸，热流曲线比较见图4。从图中可以发现，平板试验件的热流与灯管到反射板的距离成反比关系，即：灯管与反射板的距离越大，平板试验件的热流越小，反之亦然。

图4 试验件表面热流随灯管到反射板距离的比较曲线

为了进一步比较，还改变灯管与试验件表面的距离而让其它参数不变，选取了10种尺寸，热流曲线比较见图5。从图中可以发现，平板试验件的热流与灯管到试验件表面的距离成反比关系。

随着灯管间距的增大，平板试验件表面热流则近似于正弦曲线变化，灯管正下方对应正弦曲线峰值，相邻灯管中间对应的则是正弦曲线谷值。

图6给出了理论计算与某热试验结果对比曲线。可以看出， 通过多次计算设计的试验装置及选取适当的加热器，试验测试结果与理论计算结果非常接近。

图5 试验件表面热流随灯管到试验件表面距离的比较曲线

图6 理论计算与试验结果对比

5 结 论

应用结构热强度虚拟试验技术，可以大幅度地

节省地面热模拟验证试验经费，具有广阔应用前景。该成果也可以广泛应用于航空航天器型号的设计、制造与维护，将显著提升我国高超音速飞机设计、分析和试验验证的水平，对于加快我国新机的研制、提高飞机的性能、保证使用的安全都具有重要的意义。

[1]Roger A. Fields ,Andrew Vano.Flight Reseurch Center Edwards, Calis.Evaluation of an infrared heating simulation of amach 4.63 flight on an x-15 horizonal stabilizer[J]. NASA technical Report,TND-5403.

[2]蒋军亮,成竹,杨志斌.飞行器燃油系统气动热试验与数值分析研究[J].强度与环境,2011,38(4):35-31.

[3]崔占中,王乐善.石英灯加热器的热特性研究[J].强度与环境，2004,31(3): 40-44.

[4]刘守文,裴一飞,孙来燕.航天器真空热试验用红外灯光谱分布研究[J].宇航学报, 2010,31(1): 254-258.

[5]王智勇,黄世勇,巨亚堂.石英灯辐射加热试验热流分布优化研究[J].强度与环境,2011,38(2):18-23.

[6]MSC Software.Patran PCL reference[Z].2004.

[7]杨志斌.应用PCL开发温度场分析前后置处理系统[J].航空计算技术,2010,40(1):90-93.

Virtual Test of Flat-Plate Heater

Yang Zhibin1, Qin Qiang1, Qu Linfeng2

(1.Aircraft Strength Research Institute of China, Xi′an 710065, Shaanxi, China;2.Shenyang Aircraft Design & Research Institute, Shenyang 110035, Liaoning, China)

Aiming at the engineering problems of flat-plate heater, heat flux formulas are used to simulate the test value of flat-plate heater by PCL secondary development in MSC.Patran, so the virtual test of structural thermal strength comes true. The surface heat flux of flat-plate heater is calculated by changing the distance between lamp and baffle-board and the distance between lamp and the surface of specimen. Entire parameters design is availability for providing theoretic reference for test device design and power selection of heater.

heat flux; flat-plate heater; MSC.PATRAN; PCL; secondary development

2016-08-10

杨志斌(1962-)，男，陕西澄城人，高级工程师，主要研究方向为飞行器热结构分析。

TK122

B

10.3969/j.issn.1674-3407.2016.03.007