[发明专利]一种覆有热保护涂层的蒙皮板在超音速飞行条件下的应力预测方法

说明书

本发明涉及数值模拟技术领域，具体涉及一种覆有热保护涂层的蒙皮板在超音速飞行条件下的应力预测方法。本发明提供的覆有热保护涂层的蒙皮板在超音速飞行条件下的应力预测方法，包括以下步骤：建立外围流场数值模拟模型；建立覆有热保护涂层的蒙皮板的传热分析数值模拟模型；建立覆有热保护涂层的蒙皮板的应力分析数值模拟模型。本发明采用“流固耦合传热”和“热力耦合”结合的数值模拟方法，模拟覆有热保护涂层的蒙皮板在气动加热与气动载荷共同作用下的应力场分布，更能真实模拟超高音速飞行条件下热源载荷以及覆有热保护涂层的蒙皮板随时间变化的应力场分布情况，而且可以节省试验成本，缩短研究周期，提高计算精度和准确性。

技术领域

本发明涉及蒙皮板应力分析技术领域，具体涉及一种覆有热保护涂层的蒙皮板在超音速飞行条件下的应力预测方法。

背景技术

热保护涂层可以明显降低基材温度、硬度高、化学稳定性好，具有防止高温腐蚀、延长热端部件使用寿命等优点，热保护涂层对于基底材料起到隔热作用，能够降低基底温度，使得用其制成的器件能在高温下运行，因此，新型多功能热保护涂层技术成为未来航空领域高温防护涂层技术的发展方向。

然而，热保护涂层在实际服役过程中，由于涂层与基底材料参数不匹配导致热保护涂层受到热应力和残余应力的交替作用，涂层界面可能会产生裂纹，这会严重威胁飞行员和飞行器的安全。为了避免此现象发生，就需要了解超高音速飞行条件下，覆有热保护涂层的蒙皮板内部的应力场分布。

目前，对气动加热问题进行研究的方法大致分为四种：飞行试验、风洞实验、工程估算和数值模拟。前两种方法成本高，并且耗费周期也比较长；工程估算方法无法解决非线性问题。近代随着计算机技术的进步，数值模拟这一研究手段被极大的发展，它可以解决复杂的问题，并且在计算精度以及开发时间和研究成本方面的优势是其他研究手段无法比拟的。目前，已经开展了比较广泛的有限元模拟研究，预测在气动加热作用下，蒙皮板的温度场、位移场、应力场以及破坏过程。

目前通过数值模拟的方法对气动加热问题进行研究时，通常人为的设定温度载荷曲线，这样做的缺点是不能真实模拟超高音速飞行条件的温度载荷变化情况。

发明内容

本发明的目的在于提供一种覆有热保护涂层的蒙皮板在超音速飞行条件下的应力预测方法，本发明通过“流固耦合传热”和“热力耦合”结合的数值模拟方法，最大限度还原覆有热保护涂层的蒙皮板在超高音速飞行条件下，其内部的应力场分布情况，提高了计算精度和准确性。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种覆有热保护涂层的蒙皮板在超音速飞行条件下的应力预测方法，包括以下步骤：

建立外围流场数值模拟模型，将飞行速度和气体压强带入所述外围流场数值模拟模型，得到壁面压强结果；将气体温度和流-固耦合面初始温度带入所述外围流场数值模拟模型，得到流-固耦合面温度随时间变化的结果；

建立覆有热保护涂层的蒙皮板的传热分析数值模拟模型，将所述流-固耦合面温度随时间变化的结果带入所述传热分析数值模拟模型，得到温度场结果；

建立覆有热保护涂层的蒙皮板的应力分析数值模拟模型，将所述壁面压强结果和温度场结果载入所述应力分析数值模拟模型，得到应力预测结果。

优选地，所述建立外围流场数值模拟模型的方法，包括以下步骤：

11)构建超音速飞行条件下的流场的三维模型；

12)对所述流场的三维模型进行网格划分；

13)在Fluent求解器中进行工程设置；

14)设置边界条件，所述边界包括进口、出口和壁面；