燃气舵机结构热仿真与热分析技术研究

摘要：燃气舵机承受发动机喷出的高温燃气带来的高温，直接影响其可靠性。本文将热仿真与热分析技术应用到舵机结构设计中，采用Abaqus有限元软件，分析燃气舵在喷火烧蚀6s时，舵机主要传动装置的换热、变形及应力情况。并提出合理的隔热环设计方案，同时给出传动结构间隙范围，防止出现卡死、强度失效等现象。

关键词：舵机；热仿真；热分析

1概述

舵机一般安装在弹体的尾端，驱动燃气舵面的舵机甚至直接安装在发动机喷管周围，周围环境温度高，温差变化大。舵机的整体温度分布形式直接影响其性能，甚至可能因尺寸设计不当出现机构卡死等失效现象。因此，对于高温运行环境中的舵机，必须分析度分布、结构件的温度应力、变形等有效信息。

数值仿真技术在设计前期代替试验法，逐渐成为一种高效、低廉的辅助设计方式。R.J.Donaghy[1]等人将板模型和壳模型都等效成一维梁单元，通过建立混合单元模型进行分析，仿真结果表明该等效方法在一定范围有效。周晨[2]等将皱褶芯材夹层板与主动冷却相结合，采用数值仿真方法对强迫对流条件下的Ｖ型和Ｍ型皱褶芯材夹层板的热力响应进行研究，结果表明Ｍ型相比Ｖ型皱褶结构的应力集中现象得到了较大缓解。王宏宏等[3]和史晓鸣、杨炳渊[4]分别以变厚度导弹翼面和变厚度板为研究对象，均利用Patran软件建立有限元模型，利用Nastran分析特定加热状态下结构的温度场及固有振动特性，前者还将仿真结果与试验结果进行对比，一致性较好。GasserFaroukAbdelal[5]等人在对某卫星的帆板结构进行热疲劳分析时，首先采用基于二维单元建立的有限元模型进行温度场分析，然后采用Ansys建立三维有限元模型进行热应力仿真，最后计算疲劳寿命，取得良好结果。以上文献表明，使用商业有限元软件能够解决工程中的某些热设计或热分析问题。

本文将热仿真及热分析技术应用到燃气舵机结构设计中，综合考虑高温燃气与舵机、舵机内部各零部件之间所有的传热、散热方式，采用Abaqus有限元软件中的完全耦合热应力分析步，分析燃气舵在发动机喷火烧蚀6s时，舵机主要传动装置的换热、变形及应力情况。根据分析结果，提出合理的隔热环设计方案，同时给出传动结构预留间隙范围，防止出现卡死、强度失效等现象。

2传热机理

温差是实现传热的充要条件，只要存在温差，就会发生热量的传递。传热的过程一般可以分为稳态传热和瞬态传热，稳态传热是指在传热体系中各点的温度只与其位置有关，不随时间变化；瞬态传热是指传热体系中各点的温度既与位置有关，又随时间变化。根据传热机理不同，传热共可分为三种形式：热传导、热辐射及热对流。

3舵机主要传动装置热仿真及热分析

3.1初始设计的热仿真及热分析

发动机点火后6s，燃气舵面承受高温燃气烧蚀而温度急剧升高。本文采用Abaqus有限元软件进行仿真，分析这一时间段舵机主要传动装置的温度场分布及位移（变形）。整个过程时间较短，并没有达到热平衡，因此采用瞬态分析。关注的参数包括温度场、温度应力及位移，采用完全耦合热应力分析步。为了分析发动机熄火后的情形，同时计算了5s燃气舵不再受烧蚀的情况（见图1）。

a1bddae4e08d23f7b58d115373bf30a3c76362dfefa83caf278925022ba18ceb

3.1.1有限元模型

根据图2可知，舵机驱动传动轴作上下往复运动，传动轴带动联杆，进而驱动燃气舵面作旋转运动。尾喷管喷出的高温燃气被尾裙隔开，但是燃气舵面直接受其烧蚀。处于尾裙保护内的结构之间的热传递主要依赖热传导，因此仅保留与传动轴直接相接触的零部件，舵机其他部件均进行简化。采用C3D8T单元划分网格，共有15396个节点，10801个单元，有限元模型如图2。

燃气舵面的材料是钨渗铜，隔热环的材料是高硅氧复合材料，支座、摆动杆和联动杆的材料是钛合金，齿轮和螺钉的材料是不锈钢。建立燃气舵面的边界条件：0s～1s承受高温燃气烧蚀温度升高至3000K，1s～7s保持3000K不变，8s～12s不再承受高温燃气烧蚀。采用Coupledtemp-displacement瞬态分析步进行分析。

3.1.2结果分析及改进措施

舵轴和基座的温度场分布分别如图3和图4，舵轴前端到末端温度逐渐降低，舵面温度达到3000K，舵轴温度接近2339K。基座靠近舵面的区域温度达到433.4K，靠近舵轴的区域温度接近室温。

在舵轴与基座孔接触的同一位置处分别选取舵轴和基座上的节点，分别提取位移值并绘制图5。从图中可以看出，随着时间的推移，二者位移均由小逐渐增大，舵轴上的节点位移始终大于基座上的节点位移。该种情况下，如果舵轴与基座之间没有留有足够的间隙，则舵轴可能发生卡死现象。

3.2改进设计的热仿真及热分析

基于3.1节的分析可知，初始设计可能存在舵轴与基座卡死现象，因此对结构进行以下改进：在舵轴与基座之间增加隔热环、舵轴与基座之间留有一定的间隙。改进设计如图6所示。

改进设计后，舵轴和基座的温度场分布分别如图7和图8，舵轴前端到末端温度逐渐降低，舵面温度达到3000K，舵轴温度接近2368K。隔热环上靠近舵面的区域温度达到511.5K，与基座相接触的圆环外缘的温度接近室温，为305.3K（如图9）。在6s时间内，很少一部分热量传递到隔热环外缘。

1s～6s时舵轴外缘和隔热环内缘最大位移如图10所示，二者位移均随时间增大而增大，最大的时刻为6s时，最大位移相差0.034mm。1s～6s时基座与隔热环上的最大位移如图11所示，最大的时刻为6s时，最大位移相差0.0085mm。通过比较可以得出，在6s时间内隔热环与基座之间的相对位移非常小，发生卡滞的几率很低；相比隔热环与基座，虽然舵轴与隔热环之间的相对位移更大，但是随着温度的升高可以“抱合”在一起转动，不会影响整个舵机的运行。实际加工时，为防止隔热环和舵轴卡死，预留间隙应大于0.05mm。

4结论

采用Abaqus有限元软件分析燃气舵在发动机喷火烧蚀6s时，舵机主要传动装置的传热、变形及应力情况。初始设计中基座与燃气舵面直接接触，随着温度升高该设计非常可能发生舵轴与基座卡死的现象。改进设计中基座与燃气舵之间增加隔热环。随着温度的升高，舵轴与隔热环可以“抱合”在一起转动，不会影响整个舵机的运行。

参考文献：

[1]R.J.Donaghy，C.G.Armstrong，M.A.Price.Dimensionalreductionofsurfacemodelsforanalysis[J].EngineeringwithComputers.2000：24-35.

[2]周晨，王志瑾，支骄杨．主动冷却皱褶芯材夹层板的热力分析[J].固体火箭技术，2014，（4）：545-550.

[3]王宏宏，陈怀海，崔旭利等．热效应对导弹翼面固有振动特性的影响[J]．振动、测试与诊断，2010，30（3）：27-279．

[4]史晓鸣，杨炳渊．瞬态加热环境下变厚度板温度场及热模态分析[J]．计算机辅助工程，2006，15（s）：15-18．

[5]GasserFaroukAbdelal，AymanAtef.Thermalfatigueanalysisofsolarpanelstructureformicro-satelliteapplications[J].IntJMechMaterDes.2008：53-62.