[发明专利]一种基于ANSYS‑APDL语言开发的复杂热环境下球形光学头罩瞬态热‑结构耦合分析方法

摘要

本发明公开了一种基于ANSYS‑APDL语言开发的复杂热环境下球形光学头罩瞬态热‑结构耦合分析方法，包括以下步骤一、基于APDL语言的任意球形光学头罩有限元模型的建立；二、基于APDL语言的球形光学头罩计算时间参数以及材料物理参数的确定；三、基于APDL语言的随时间变化的热流密度以及气动压力的换热以及力边界条件的加载；四、基于APDL语言的求解控制以及结果后处理。相比较直接采用用户界面进行分析的过程，本发明避免了同一类问题多次进行加载费事、费力、易错等缺点，而且通过宏的使用成功实现了头罩外表面热流密度和气动压力随时间变化情况下头罩气动热响应的动态计算。

主权项

一种基于ANSYS‑APDL语言开发的复杂热环境下球形光学头罩瞬态热‑结构耦合分析方法，其特征在于所述方法步骤如下：一、基于APDL语言的任意球形光学头罩有限元模型的建立(1)依据分析的类型选定对应的有限元模型，在APDL中依靠命令ET进行有限元模型的定义，在所编写的APDL语言中所采用的类型为plane13与solid 5；(2)在选定有限元类型并进行定义后，进行仿真模型的建立过程，具体过程如下：依据球形头罩的内外半径r’与r以及头罩顶端到底端的距离d三个几何参数，进行球形头罩计算模型的建立，在使用APDL语言建立部分圆环模型时，需要将头罩顶端到底端的距离d转化为部分圆环所对的圆心角θ，利用APDL中命令中PCIRC命令生成对应角度的计算模型；所述部分圆环所对的圆心角θ与头罩顶端到底端的距离d的数学关系如下：θ=arccos(r-dd);]]>(3)通过编写APDL命令对上述建立的部分圆环的四条边界线进行网格大小以及网格划分类型的控制，然后采用APDL中的AMESH命令划分网格；(4)在得到有限元模型后，通过APDL中VROTAT命令控制该模型绕坐标轴或是过两个特定关键点的直线旋转一定的度数，进而生成最终的有限元分析模型；二、基于APDL语言的球形光学头罩计算时间参数以及材料物理参数的确定(1)在使用APDL进行计算时，需要对计算时间总长、计算时间步长、估计熔化时间、飞行时间间隔以及子载荷的步数进行合理的设定；(2)使用APDL载入的头罩光学晶体材料的物理特性参数包括：该材料的弹光系数、导热系数、弹性模量、热膨胀系数、屈服强度、熔点、切变弹性模量、o光折射率、e光折射率、o光热光系数、e光热光系数、比热容、密度和泊松比；(3)在得到以上所提的材料物理参数后，使用APDL对相应的物理量进行定义与输入；三、基于APDL语言的随时间变化的热流密度以及气动压力的换热以及力边界条件的加载在对球形光学头罩进行热‑结构耦合计算时需要输入换热与力边界条件，在利用ANSYS对球形光学头罩进行热分析时，所加载的换热边界条件包括：头罩外侧气流温度、头罩内侧气流温度、头罩内侧对流换热系数、头罩外表面气动热流密度分布数据文件flux_out.dat、头罩初始温度和头罩热应力计算参考温度；对应的力学边界条件包括：头罩内侧均一分布气压以及头罩外表面气动压力分布数据文件pres_out.dat；四、基于APDL语言的求解控制以及结果后处理在进行求解计算时，采用宏进行多层循环的控制，采用*if‑then‑else，*endif命令在每个载荷步进行之前比较计算所得的最大温度与材料熔点的关系，来判断此载荷步是否进行；采用*do，*enddo命令来控制循环的次数以及计算的时间总长；当计算达到时间总长时，循环结束，然后根据实际要求得到计算时间总长范围内不同时刻的热响应结果；通过编写APDL命令控制ANSYS通用后处理器，经过ANSYS求解后，对球形头罩所有节点的温度、热应变、热应力、热形变数据按照要求的格式输出数据文件。