Mechanical Engineering and Technology 机械工程与技术, 2020, 9(4), 318-328 Published Online August 2020 in Hans. http://www.hanspub.org/journal/met https://doi.org/10.12677/met.2020.94034
Thermal Simulation Analysis of High Temperature-Vibration Test Fixture for Isotope Heat Source
Ze Wang, Yupeng Hu, Yichen Zhang, Zhijiang Ouyang, Changchun Zhu, Wenjun Hu, Shaoquan Hu
Institute of System Engineering, China Academy of Engineering Physics, Mianyang Sichuan
Received: Jul. 30, 2020; accepted: Aug. 13, 2020; published: Aug. 20, 2020
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Abstract
The development of the positional heat source plays an important role in the strategic mission of deep space exploration. Taking the environmental test task of “Chang’e” with isotope heat source as the background, this paper focuses on the design of thermal protection of isotope heat source high temperature-vibration environment test fixture. Through the thermal simulation analysis of the high temperature-vibration fixture, it can be known that the conventional fixture without cooling measures will cause the temperature of the vibrating table to be too high and affect the normal operation of the equipment. Therefore, a thermal protection design scheme using forced convection heat exchange for cooling is proposed, and it is pointed out that the use of cold water forced convection heat protection can make the fixture base plate at a lower temperature, so that the vibrating table can work at a normal temperature. In addition, it is further proposed to optim-ize the design of materials and fixture structure to facilitate the transmission of mechanical loads.
Keywords
Isotope Heat Source, Fixture Optimization, Thermal Protection Design, Environmental Test
同位素热源高温–振动试验用夹具的 热仿真分析
王 泽，胡宇鹏，张怡晨，欧阳智江，朱长春，胡文军，胡绍全
中国工程物理研究院总体工程研究所，四川 绵阳
收稿日期：2020年7月30日；录用日期：2020年8月13日；发布日期：2020年8月20日
文章引用: 王泽, 胡宇鹏, 张怡晨, 欧阳智江, 朱长春, 胡文军, 胡绍全. 同位素热源高温–振动试验用夹具的热仿真分析[J]. 机械工程与技术, 2020, 9(4): 318-328. DOI: 10.12677/met.2020.94034
王泽 等
摘 要
同位素热源的研制在深空探测战略任务中具有重要地位。以“嫦娥”用同位素热源环境试验任务为背景，本文重点探讨同位素热源高温–振动环境试验夹具的热防护设计问题。通过对高温–振动用夹具的热仿真分析可知无冷却措施的常规夹具会使振动台台面温度过高，影响设备的正常工作。因此，提出了采用强制对流换热进行冷却的热防护设计方案，并指出采用冷水强制对流热防护方式可以使夹具垫高座底板处于较低温度，从而使振动台处于正常温度工作。此外，进一步提出了通过材料优选以及夹具结构优化设计方案以更有利于力学载荷的传递。
关键词
同位素热源，夹具优化，热防护设计，环境试验
Copyright ? 2020 by author(s) and Hans Publishers Inc.
This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Open Access 1. 引言
深空探测是人类对月球及月球以外的天体或空间开展的探测活动[1] [2]，同位素热源在深空探测领域具有重要作用。由于同位素热源在地面运输和发射时会遭受振动环境，这种严酷环境可能会影响同位素热源的安全性及可靠性。因此，有必要开展相应的振动环境试验从而对热源进行考核。
深空探测用设备仪器在运输、发射以及在轨等剖面下都要经历包括振动、加速度、噪声和冲击等复杂力学环境，需要在地面进行力学环境试验以确保其可靠性。振动试验是使产品受到与实际使用过程中振动环境相同或相似的振动激励作用，来验证考核产品在预期的振动环境作用下，能否达到设计规定的性能指标。振动台上的环境振动试验，除要求动载与工作时一致外，夹具应提供与实际结构相一致的动力学边界条件[3]。前人通过振动试验做了大量的试验研究和工程应用工作，如江浩等[4]以某型号结构星为研究对象，对分舱段输入条件进行了预示，开展了整星和舱段的振动试验研究；陈晓冬等[5]通过振动环境试验得到模拟弹体和发射装置的振动响应特性，并根据振动特性和载荷设计组合振动试验方法。孙晔[6]针对传统夹具设计方法的不足，通过有限元仿真方法，在夹具设计初期预测其动力特性，进一步进行改进优化。此外，尽管振动台台面结构简单，但航天用试验件往往千变万化，为顺利进行振动试验，必须借助夹具将试验件可靠固定在振动台上，夹具的动力特性会直接影响试验的考核结果。因此，振动夹具优化设计是振动环境试验实施的重要环节。现有研究已针对卫星电子等航天器振动试验用夹具从轻质高效、高基频实现等方面进行了深入研究[7] [8]。为了设计满足某星载设备振动试验需求的振动夹具，马振兴等[9]根据被试件与振动台的接口、试验环境条件、夹具外形与质量静态分析结果以及强度设计仿真结果，设计出了一种合理、易于制备的振动夹具。
综上，目前航天用相关产品的振动试验夹具往往只需从力传递有效性角度出发进行夹具设计，无需考虑高温环境下夹具的热传递特性。由于同位素热源鉴定级试验采用结构模拟件作为试验产品，模拟真实产品的衰变热，需对模拟件进行热加载。在振动台上端采用加热装置进行热加载时，热量会通过夹具传递至振动台，从而使得振动台工作温度超出正常要求。同位素热源温度高，在没有预估的状态下直接开展试验存在较大的安全与质量隐患。因此，在满足一定力学载荷传递的基础上，必须进行夹具的热防
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护设计。关于高温–振动试验用夹具的热防护设计研究目前未见报道，本文以“嫦娥”任务用高温–振动复合环境试验用夹具进行了有限元热分析并深入探讨，提出了相应的热防护措施，为试验的开展提供了理论支撑。
2. 研究目标
空间同位素热源在进行鉴定级振动环境试验时，需采用热加载模拟件的方式以模拟真实热源的衰变热。因此，在高温–振动试验中对试验件进行热加载的同时，需要设计合理的夹具从而保证振动台处于正常工作的温度范围，既要保证夹具力传递有效性又要保证夹具底部温度不能太高以影响振动台正常工作。
3. 研究内容
对同位素热源的高温–振动环境试验夹具进行热仿真分析，获取不同热防护方式下夹具的温度场分布，分析不同工况条件下夹具的热量传递规律。对于提高夹具的热防护能力主要从4个方面考虑：冷却方式、温度边界、材料选择以及夹具高度，见图1。此外，通过数值模拟指导试验优化的流程图见图2。
Figure 1. Fixture thermal design starting point
图1. 夹具热设计出发点
Figure 2. Test optimization flow chart 图2. 试验优化流程图
3.1. 结构模型
同位素热源高温–振动环境试验用夹具物理模型，监测点及相关尺寸如图3所示。
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Figure 3. Fixture model 图3. 夹具模型
在夹具中部位置设计有冷却水箱，水箱由支撑杆贯穿，并保持良好的密封，支撑立板和下连接板焊接在一起，同位素热源置于其中立板的圆弧处，通过M形包带固定，侧向布有止退板，下部通过支撑杆连接底部的垫高座，垫高座连接到振动台。由于横向夹具与轴向夹具相比，热源模拟件与下连接板接触面积更大，因而热阻相对较小，夹具垫高座温度相对更高，热防护要求更为苛刻。因此本文主要以横向夹具为研究对象。本文对水冷与自然冷却两种方式进行分析对比。
3.2. 物理模型的选取
正常工作时水箱上方处于加热装置内，将内热源与竖直的支撑杆上端套在其中，因此上端的支撑杆受到高温热源的热辐射，其他部位外表面均与常温空气进行正常的对流换热，在没有进行水冷时，水箱内部与外部相同，仅与空气进行正常的对流换热，当进行水冷时，内部表面与水进行热交换。将夹具模型划分网格，进行有限元分析，本文有限元模拟中涉及热传导、热对流以及热辐射耦合热传递方式。热传导遵循傅立叶定律
q=?k
其中：q为热流密度；k为导热系数。
热对流可以表述为
dT
(1) dx=qh(TS?TB) (2)
其中：h为对流换热系数；Ts为固体表面温度；TB为周围流体温度。
热辐射可以表述为
qεσA1F12(T14?T24) (3)
其中q为热流密度；ε为辐射率；σ为斯蒂芬–玻尔兹曼常数；F12为角系数；T代表辐射面绝对温度。
瞬态传热过程是指一个系统的加热或者冷却的过程，在这个过程中系统的温度、热流率以及系统内能随时间都有明显变化。根据能量守恒定律，瞬态热平衡方程可以用矩阵的形式表达
{Q} (4) [C]{T′}+[K]{T}=
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其中：[K]为传导矩阵，包含导热系数、对流系数、辐射率以及形状系数；[C]为比热矩阵，考虑系统内能的增加；{T}为节点温度坐标；{T′}为温度对时间的导数；{Q}为节点热流率向量。
4. 研究结果
4.1. 空气自然对流换热对温度分布的影响
在空间同位素热源正常工作条件下，恒温的内热源处于封闭状态中，在封闭的腔体内支撑杆上端受到热传导与热辐射的作用，如果不进行其他的热防护，夹具的垫高座底板很可能达到比较高的温度从而影响振动台的正常工作。
试验夹具设计前期，需对仅考虑力传递因素的夹具设计方案进行热传递特性分析，以辨识该方案从热防护设计角度是否满足台面温度要求。该方案下，夹具上端支撑杆处于高温辐射条件，其他与常温空气接触的部分进行对流换热。图4给出了该方案的仿真结果，由图可知，热源为400℃时，夹具底座温度就已达70℃，与一般试验产品相比，同位素热源属自发热产品，处于较高温度状态。热量经夹具传递至振动台面，造成台面温度过高(振动台台面工作温度须在50℃以下)。远高于振动台的正常工作温度要求，因此，需对夹具进行主动热控设计。
Figure 4. Temperature distribution under natural con-vection conditions
图4. 自然对流条件下热源表面温度400℃夹具温度分布
4.2. 冷水强制对流换热对温度分布的影响
由于采用空气自然对流换热强度不够，不能带走多余热量，同位素热源夹具热量积累，夹具底座超出振动台台面允许的工作温度。拟提出采用冷水强制对流换热的方式，通过增大对流换热系数，维持恒定的温差条件提高换热能力。在上述模型中，将冷却水从底部进水管通入，在水箱内部吸收热量后从排同位素热源的表面温度分别选择400℃、500℃、水口排出，以冷却水温20℃，对流换热系数1200 W/m2，600℃为模拟试验环境参数，结果如图5所示。
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同位素热源高温–振动试验用夹具的热仿真分析 - 图文
