[发明专利]一种石墨发热片设计方法

说明书

本申请属于辐射电加热技术领域，特别涉及一种石墨发热片设计方法，所述方法包括：首先确定了石墨发热片的厚度参数和石墨发热片的缝隙宽度参数，然后通过理论计算给出石墨发热条的宽度参数，再通过电热耦合有限元仿真模拟，对石墨片表面的温度均匀性进行分析。在此基础上，以增加石墨发热片温度均匀性为目标，调整和确定石墨发热片的其它结构设计参数。该设计方法包含了石墨发热片通电后的发热机理研究，能够在满足石墨发热片总体热输出要求的条件下，降低冷区面积，提高发热效率，在石墨发热片的设计中具有很强的应用价值。

技术领域

本申请属于辐射电加热技术领域，特别涉及一种石墨发热片设计方法。

背景技术

在高超声速飞行器和轨道再入飞行器的地面验证试验中，需要使用加热器给机体结构输入热流模拟其承受的气动加热载荷。当飞行器速度较高时，气动加热效应很强，热载荷的热流密度很大。这需要加热器具备很强的热输出能力，同时，加热器的热沉足够小，能够对控制指令做出迅速响应。为了实现对飞行器前缘和头锥等曲率变化较大而且热流密度较大的关键部位的加热，还需要加热器能够组合成复杂的曲面形状。

石墨是一种广泛应用于冶金、化工和晶体制造等领域的加热元件，通电后能产生高达2000℃的高温环境，能够满足高速飞行器热试验的要求。

发明内容

为了解决上述技术问题至少之一，本申请提供了一种石墨发热片设计方法，包括：

获取石墨发热片的厚度参数及石墨发热片内各发热条的缝隙宽度参数；

根据石墨片的热流输出需要估算石墨发热片内各发热条宽度的初值；

建立关于发热条宽度的参数化石墨发热片几何数模和有限元模型，进行电热耦合有限元仿真模拟，所述电热耦合有限元仿真用于获取最高温度数据T_Max和最低温度数据T_Min来计算温度不平衡参数：T_Min/T_Max；

以所述发热条宽度的取值初值作为发热条宽度的调整下限，以及以石墨片被等宽度发热条完全覆盖为限制条件，调整所述有限元模型中的发热条宽度，直至计算的温度不平衡参数不高于预设值。

优选的是，采用如下公式估算所述石墨发热条宽度的取值初值：

其中，R为石墨发热片的电阻；U为石墨片允许电压；Q为石墨片需要提供的热流输出；λ为石墨片发热效率；K为石墨片安全余量；r为石墨电阻率；S为石墨发热片面积；参数a₁,a₂,a₃分别代表发热条宽度、石墨发热片的缝隙宽度及石墨发热片的厚度。

优选的是，所述石墨发热片的缝隙宽度取2mm，石墨发热片的厚度取4mm。

优选的是，估算所述石墨发热片内各发热条宽度的取值初值之后还包括：

若得到的石墨片发热条初始宽度大于阈值，则对石墨片进行拆分，减小石墨片面积，所述阈值是用于表明石墨片的热输出过高的参数。

优选的是，所述阈值为15mm。

优选的是，进行电热耦合有限元仿真模拟包括：

在有限元仿真分析平台中，给发热电路一端施加100V电压边界条件，另一端施加0V电压边界条件，并在石墨片上下表面施加空间辐射边界条件。

优选的是，所述预设值为15％。

优选的是，建立所述参数化石墨发热片几何数模包括：

对发热片进行预处理，所述预处理包括构建具有平行边的多边形发热片；