飞机隔热结构热桥效应分析与实验

夏 甜， 许 平， 尚 磊， 王 奡

(沈阳飞机设计研究所 结构部， 沈阳 110035)

飞机隔热结构热桥效应分析与实验

夏 甜， 许 平， 尚 磊， 王 奡

(沈阳飞机设计研究所 结构部， 沈阳 110035)

针对飞机隔热结构中金属筋条的热桥问题，设计了两类典型飞机隔热结构构型。为了研究分析热桥效应对隔热性能的影响，对各构型进行瞬态热传导有限元分析，得到在热面温度分别为100 ℃，200 ℃，300 ℃，424 ℃时考核点的温度，并通过隔热性能实验验证了有限元方法的有效性。结果表明：热桥对隔热结构的隔热性能有较大影响，设计隔热结构时应充分考虑热桥现象；提出了热桥阻断的方法。

隔热结构；瞬态热传导；隔热性能；热桥阻断

高超声速飞行器外表面在气动加热的作用下，通过热传导将机体内部结构温度升高，飞行器隔热结构的热传导分析已经成为结构设计的重要内容[1]。在飞机被动隔热结构中，为了保证隔热结构的强度，在隔热层中常常增加金属筋条[2]，由于金属材料的热导率远大于隔热材料的热导率，会直接导致金属筋条部分升温较快，通常将这些金属筋条称为热桥[3]。热桥的存在会导致机体内部升温迅速，从而影响隔热结构的隔热效果。将金属筋条在隔热结构中产生的热短路[4]现象，称为热桥效应。

杨万枫[5]以船舶冷藏箱的隔热结构为对象，在理论分析的基础上，得出热桥传热的数值解。俞文胜等[6]通过ANSYS对冷藏集装箱侧壁进行了稳态传热分析，得出真空绝热板拼接所产生的热桥对结构隔热性能影响较大。李微等[7]以TPS系统间连接件的热桥效应为对象，研究分析了沿厚度方向的热桥效应引起的热应力对结构声振耦合响应的影响。常见的飞机隔热需求通常是满足其内部系统的使用温度，系统距离隔热结构表面往往有一定距离，这就要求温度考核点位于空气处，而以往的隔热试验考核点仅位于隔热结构表面[8-9]。热桥效应的瞬态传热分析及考核点位于空气处的隔热性能实验研究报道较为鲜见。

为了充分研究分析飞机热桥效应对隔热性能的影响，本工作首先设计了两类典型飞机隔热结构，通过有限元软件ABAQUS[10]对其进行了不同热面温度下的瞬态热传导分析；其次制备了隔热结构试验件，针对飞机内部系统的隔热需求，将考核点布置在结构冷面上方的空气处，进行了隔热性能实验，验证了有限元方法的有效性；最后依据计算分析结果，对比分析了两类隔热结构在不同热面温度、隔热时长下，热桥效应对隔热性能的影响规律，同时提出了热桥阻断方法。

1 飞机隔热结构设计

两类典型飞机隔热结构构型具体参数及结构示意图见表1。构型1均为加筋壁板结构，其中蒙皮和筋条材料为TC1，结构高度均为20 mm。构型2是以钛蜂窝(TC4H-6.4-0.1)为主，构型2a是普通的蜂窝结构，构型2b是在蜂窝空腔内部填充气凝胶。隔热材料均为气凝胶(AIC-32AF-600)。金属结构与气凝胶之间采用胶接。

2 瞬态热传导分析

2.1 隔热需求

假设某型飞机的隔热需求为：隔热结构外部温度为424 ℃，保温3 min，内部系统使用温度≤85 ℃，而系统距隔热结构冷面距离为150 mm。应用ABAQUS对各构型进行瞬态热传导有限元分析。将隔热结构外蒙皮温度分别设置为100 ℃，200 ℃，300 ℃，424 ℃，考核距隔热结构冷面中心150 mm处空气的温度。为了更好的比较各构型的隔热性能，将分析时长定为3 h。如果考核点在3 h内未达到85 ℃，则比较各构型的考核点在3 h时的温度，温度越低，说明隔热性能越好，如果考核点在3 h内达到85 ℃，则比较各构型的考核点达到85 ℃所用时间，时间越长，说明隔热性能越好。

表1 典型飞机隔热结构构型Table 1 Typical heat insulation structure configuration of aircraft

2.2 构型Ⅰ隔热性能比较

图1 构型Ⅰa的有限元模型Fig.1 Finite element model of the structure Ⅰa

由于构型Ⅰ的结构较复杂，筋条交错排列，为了更好的掌握热桥传热规律，本工作建立了三维实体有限元模型(如图1)。材料属性见表2。建模时，将隔热结构的外蒙皮简化为400 mm×400 mm平板，蒙皮和筋条厚度均为1.2 mm。由于有限元ABAQUS默认无实体部分为绝缘体，同时参考考核点位置，在隔热结构的冷面上方建立300 mm×300 mm的空气实体，即考核点为空气实体中心点。而空气实体外部默认为绝热。ABAQUS进行瞬态热传导分析时，选择分析步类型为Heat transfer(Transient)，在分析步中设置分析时长为10800 s。同时为提高计算精度，使用二阶算法，选择DC3D20单元，即20节点二阶传热六面体单元。并假定初始温度为25 ℃，热面温度分别为100 ℃，200 ℃，300 ℃，424 ℃。

经过计算，得到构型1a、构型1b在热面温度为100 ℃，3 h后的温度场分布(见图2)，从图2(a)中可以明显看出，隔热结构中的金属筋条温度非常高，其产生的热桥使得冷面空气在靠近筋条部分的温度远高于其他部分的温度。从图2(b)中可以看出，在隔热结构内侧增加一层隔热材料，能对金属筋条的热桥起到很好的抑制作用。

构型Ⅰ的所有计算结果见表3。从表3中可以看出，当热面温度为100 ℃，200 ℃时，3 h后三种构型考核点温度均不超过85 ℃。构型1b较构型1a的温度降低了10 ℃，可见构型1b相对于构型1a的隔热性能优势相当明显。

表2 材料属性Table 2 The material properties

图2 两种结构的温度场分布Fig.2 The temperature field distribution of the two kind of structure (a)structure Ⅰa;(b)structure Ⅰb表3 构型1考核点的温度及计算时长Table3 The temperature and examination time of the structure Ⅰ’s check point

StructureⅠHotsurfacetemperature/℃Examinationtime/sTemperature/℃StructureⅠa1001080059200108008330025948542474885StructureⅠb10010800492001080069300357085424147485

比较构型Ⅰa和构型Ⅰb考核点在热面温度为100 ℃，3 h内的升温曲线，如图3所示，在升温初始阶段，构型Ⅰb的升温曲线较构型Ⅰa的升温曲线平缓，说明在隔热结构开始受热时，构型Ⅰb内侧的隔热层就已经起到阻断热桥的作用。而随着时间的增加，两者的温差越大。

图3 构型Ⅰa和构型Ⅰb考核点的升温曲线对比 (热面温度100 ℃时)Fig.3 Comparison of temperature rise curves of structure Ⅰa and structure Ⅰb test point(hot surface temperature of 100 ℃)

2.2 构型Ⅱ隔热性能比较

由于构型Ⅱ的蜂窝结构属于薄壁结构，芯格数量过多，所以在三维建模过程中，为了节省建模时间，有必要将蜂窝结构进行等效简化[11]。本文中，采用将蜂窝结构等效为三维板的方法，即建立一个等尺寸三维实体，计算其等效物理参数。等效公式参见表4。具体计算结果见表5。

(1)

(2)

(3)

式中：ks为蜂窝胞壁材料的热导率；kg为蜂窝腔内气体的热导率；keff为蜂窝芯体等效热传导系数；ρs，cs为蜂窝胞壁材料的密度；ρg，cg为蜂窝腔内气体的密度；As，Ag为蜂窝单元横截面内固相和气相所占面积。

构型Ⅱ的有限元分析结果见表6。从表6中可以看出，在热面温度为100 ℃时，构型Ⅱa和构型Ⅱb隔热性能相当，这表明虽然蜂窝空隙内部填充了气凝胶，但由于蜂窝内外蒙皮与壁板之间形成的热桥，导致传热达到稳定状态时，两构型的稳态温度仍是一样的；当热面温度为200 ℃，300 ℃，424 ℃时，从隔热时长来看，构型Ⅱb的隔热性能明显好于构型Ⅱa。这表明在高温短时情况下，蜂窝内部填充的气凝胶材料可以起到一定的隔热效果。

表5 构型Ⅱ的等效物理参数Table 5 Physical properties of structure Ⅱ equivalent calculation

表6 构型Ⅱ的考核点温度及计算时长Table 6 Temperature and examination time of the structure Ⅱ’s check point

3 实验验证

为了分析金属热桥对隔热性能的影响，试件为上述两类被动隔热结构构型，构型Ⅰ的试件为400 mm×400 mm的加筋壁板，其中蒙皮尺寸为400 mm×400 mm×1.2 mm，筋条尺寸及布置见图4。构型Ⅱ钛蜂窝试件尺寸为400 mm×400 mm×15 mm。实验加热装置采用石英灯辐射加热实验系统(电源柜、温度控制/反馈程序、石英灯加热器)。实验时，在试件一面外侧加热，保证只有试件一侧向盒段里传导热量。同时，为避免试件冷面与周围环境的热交换，在试件上方布置边长为300 mm的正方体隔热罩，实验方案如图5所示。测温点位于隔热罩中心，实验过程中实时测量该点的温度。根据阻力伞舱实际隔热需求设定了实验参数及要求，具体参数及要求见表7。实验时，为判别隔热罩的隔热效果，在其外壁面布置一个热电偶，用以记录外界环境温度，经测试，实验过程中该点温度均小于40 ℃，表明隔热罩隔热效果良好。实验现场照片见图6。

依据实验结果，验证有限元分析的准确性。实验终止时，选择各构型在热面温度为100 ℃和424 ℃时的考核点温度进行比较，比较结果见表8。结果表明：实验结果与有限元结果误差为1.8%～10%之间，有限元分析的温度值均大于实验结果。引起误差的来源主要包括：1)实验采用石英灯辐射加热系统，有限元方法无法准确模拟出辐射加热的过程；2)有限元模型中，默认空气外部为绝热状态，而实验时，空气外部的隔热罩无法达到完全绝热的状态。

图4 筋条尺寸及布置Fig4 Size and arrangement of stiffener表7 试验参数及要求Table 7 Test parameters and requirements

Hotsurfacetemperatureoftestpiece/℃Holdingtime/minRemark100180200180300180424180(1)Thereal⁃timemeasurementoftemperatureintheprocessoftest；(2)Ifthetestin180minreachedtemperaturemeasuringpointintheprocessoftemperatureof85℃，stoptestimmediately．

图5 实验装置Fig.5 Schematic diagram of the test diagram

图6 实验现场照片Fig.6 Test site photos表8 实验结果与有限元结果比较Table 8 Comparison of test results and finite element results

StructureHotsurfacetemperature/℃Endoftheexperimenttime/sTestresult/℃Resultsoffiniteelementmethod/℃Error/%Ⅰa1001080055597．24248948587．83．2Ⅰb1001080044．5491042416018587．42．8Ⅱa1001080062．5677．24241458587．61．9Ⅱb1001080062666．54242298588．33．9

4 结 论

(1)金属筋条产生的热桥对隔热结构的隔热性能影响不容忽视，其影响随时间增加而增大；

(2)设计隔热结构时，如有金属筋条，则有必要在筋条外部增加一层隔热材料来减弱金属筋条产生的热桥；

(3)对于在蜂窝内部填充隔热材料的隔热结构，低温长时情况下，其隔热性能与普通蜂窝结构相当，高温短时情况下，其隔热性能优于普通蜂窝结构。

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(责任编辑：张 峥)

Analysis and Experimental on AircraftInsulation Thermal Bridge Effect

XIA Tian， XU Ping， SHANG Lei, WANG Ao

(Shenyang Aircraft Densign & Research Institute， Shenyang 110035，China)

Two kinds of typical aircraft insulation structures were designed for the heat bridge in the metal ribs of aircraft insulation structures. In order to study the influence of heat bridge effect on thermal insulation performance, each configuration was analyzed by the transient heat transfer FEA, check point temperature was obtained in the hot surface temperature of 100 ℃, 200 ℃, 300 ℃, 424 ℃ respectively, and the validity of FEA was proved by insulation performance experiment. The result showed that the thermal bridge has a great influence to the insulation performance of insulation structure, and the thermal bridge influence should be considered adequately when the insulation structure designed. Additionally, the blocking method for thermal bridge is also put forward.

insulation structure; transient heat transfer; insulation performance; bridge blocking

2016-08-22；

2016-10-20

FGRJG基金项目(A0520132017)

夏甜(1986—)，女，硕士，工程师，主要从事飞机结构设计，(E-mail)xiamelon@126.com。

10.11868/j.issn.1005-5053.2016.000147

V222

A

1005-5053(2017)03-0091-06