封闭式腔体结构反向热变形设计

朱坤 魏浩

摘要：采用结构反向热变形设计解决某型腔体结构在高温环境下向腔体内侧凹陷的问题，提高了高温环境下信号传递效率。

关键词：腔体;热变形;约束

0    引言

现有的某型封闭式腔体结构，在温度达到30 ℃以上或者阳光长时间照射时，腔体前后两层柔性泡沫板会发生热变形，向腔内凹陷，甚至贴合到一起，阻碍内部声学信号传输，影响声学传感器信号检测，甚至使信号无法正常传输。针对此问题，需要设计出一种新型腔体结构，在高温或者阳光长时间照射下，前后两层柔性泡沫板不发生向腔内的凹陷变形，保证声学信号的有效传输。

1    问题分析

某型封闭式腔体由柔性泡沫板、木衬条组成，通过木衬条将两层柔性泡沫板相对固定，一端面用柔性泡沫板固定，另一端面开口的密封空腔，如图1所示。

对柔性泡沫板进行有限元网格划分，靠近内腔的单元格由于左右被木衬条约束，所以内侧的网格单元热能量只能上下释放，另外两个方向的热能量释放对腔体凹陷不产生影响，可以不考虑。腔体外侧的单元格左右方向和上下方向没有约束，所以各个方向都可以释放热能量。内侧单元格上下方向的热能量释放比外侧单元格上下方向的热能量释放占比大，所以柔性泡沫板都会向内腔凹陷。

2    解决方案

针对该问题，可以通过改变柔性泡沫板的约束部位或者在柔性泡沫板内腔侧增加约束，使大部分热能量向外侧释放，保证腔体向外鼓代替向内侧凹陷。

2.1    改变泡沫板的约束部位

泡沫板在无约束条件下，单元格6个方向的热能量释放应该是相同的，在形成腔体后，热能量释放具有的方向性与约束有关。

如图2所示，本方法将木衬条对泡沫板的约束改到腔体外侧，腔体内侧的单元格左右方向和上下方向没有约束，所以各个方向都可以释放热能量。外侧单元格上下方向的热能量释放比内侧单元格上下方向的热能量释放占比大，所以柔性泡沫板都会向外侧鼓。

2.2    在泡沫板的内侧面上粘贴玻璃布

原有结构由于泡沫板内腔侧释放的热能量占比大，考虑在内腔側粘贴玻璃布，如图3所示，增加约束强度，引导热能量向外侧释放。玻璃布带胶粘贴后硬化，内侧约束加强，温度升高后，热能量向外侧释放，腔体向外侧鼓。

3    验证试验

改变结构设计后，进行高温和声学信号传递试验，如图4所示，试验结果跟理论分析基本一致。

3.1    改变泡沫板的约束部位

高温试验后，腔体向外侧变形，变形量比较小，此时在腔体中心区域放置声学信号源，进行声学信号传递测试，波形良好，未出现明显干扰，能满足使用要求，如图5所示。

3.2    在泡沫板的内侧面上粘贴玻璃布

高温试验后，腔体向外侧变形，变形量比较大，此时在腔体中心区域放置声学信号源，进行声学信号传递测试，波形良好，未出现明显干扰，能满足使用要求，如图6所示。

4    结语

本文通过热变形的定性分析，采用改变约束部位和增强部位约束的设计方法，消除了某型封闭式腔体热变形凹陷、信号传递效率差的缺点，保证了设备整机在高温环境下能够正常运行。

收稿日期：2020-08-31

作者简介：朱坤（1981—），男，江苏泰州人，工程师，研究方向：机械设计及理论。