I-DEAS在航天器熱分析中的應用
鐘楊帆， 朱敏波， 魏鋒 (西安電子科技大學機電工程學院，陜西西安710071)
作者簡介：鐘楊帆(19Sl一)，男，湖南澧縣人，碩士研究生，研究方向為電子設備結構熱設計； 朱敏波，男，碩士，副教授，研究方向為電子設備結構熱設計與工程數據庫設計； 魏鋒，男，碩士研究生，研究方向為電子設備結構熱設計。
摘要：為了保證航天器在宇宙空間熱環境中安全可靠地工作，需要對航天器進行合理地熱分析計算，針對航天器在軌工作的特征，介紹了I-DEASMasterSeriesTMG軟件的主要功能，并通過TMG計算了一衛星模型的在軌瞬態溫度場，為進一步的在軌熱變形計算提供了必要的溫度數據，并對以后的熱控方案具有一定的參考作用。
關鍵詞：熱分析,熱設計,I-DEAS,航天器,溫度場
中圖法分類號：V416、4 文獻標識碼：A 文章編號：1000．7024(2006)12．2306．03
Application of I·-DEAS in thermal·-analysis of spacecraft
ZHoNG Yang fan， ZHU Minbo， WEI Feng
(School of Mechanic-Electronic Engineering，Xidian University,Xi’an 7 1 007 1，China)
Abstract：In order tO maintain the high reliability of spacecraft in space thermal environment， the therm al-analysis of spacecraft must be done adequately．Aiming at the characters ofspacecraft working on the orbit，the main function ofI-DEAS master series TM G software is introduced． The on-orbit transient temperature profiles ofa spacecraft are calculated by using TMG． Th e necessary temperature data are provided for the therm al distortion an alysis and the selection ofthe therm al control measures．
Key words：thermal—analysis； thermal design； I-DEAS； spacecraft；temperature filed
0 引 言
衛星飛船和空間站在外層空間運行時，要長期經受太陽、行星和空間低溫熱沉的交替加熱和冷卻，引起高低溫的劇烈變化，在最壞的情況下其溫度變化幅度可達+150~C[11 7對于大部分星上儀器來說，在這樣大幅度的溫度變化的情況下是無法工作的。以前國外由于航天器的熱設計不周而導致其溫度過高或過低，從而影響其正常工作甚至停止工作的情況常有報道。因此，為保證航天器能正常工作，就必須對它們進行合理的溫度控制，而通過計算分析溫度場，就可以為熱控系統方案的優化提供可靠的依據。航天器的熱分析主要包括軌道計算、外熱流計算和溫度計算等方面。熱計算的目的是根據航天器內外熱狀況及熱措施來確定航天器各部分的溫度變化規律，以便檢驗熱設計是否已將各部分的溫度控制在所要求的溫度范圍之內以及在給定的運行條件下是否預示航天器的實際運行溫度。隨著電子計算機的應用，航天器熱分析逐漸走向成熟，并且用專業的熱分析軟件進行熱分析 。國內目前較流行的軟件有NEwLDA ，SINDA／G 和I-DEAS TMG。I-DEAS是美國EDS公司的產品，是全球最知名的MCAD軟件之一。
I-DEAS是一個高度集成CAD／CAE／CAM／CAT系統，它在CAD／CAE一體化技術方面一直雄踞世界榜首，軟件內含諸如結構分析、熱力分析、優化設計和耐久性分析等真正提高產品性能的高級分析功能。本文使用了I-DEAS的TMG模塊對一衛星模型的在軌瞬態溫度進行了預算。
1 I-DEAS TMG模塊簡介
I-DEASTMG是一個全面的傳熱仿真程序，它能提供快速精確的方法求解復雜的傳熱問題。TMG與I-DEASMasterSeries融為一體。模型建立在設計的幾何圖形上，因而處于底層的零件的變化將在熱模型中得到反映。有大量的工具用于創建、檢查和求解熱模型。I-DEAS TMG使用先進的有限差分控制體技術。可以解決傳導、輻射、自然或強制對流、管流冷卻和相位變化等傳熱問題。支持實體、殼、梁單元和任意網格形狀。支持隨溫度變化的材料及各向異性材料。采用角系數計算輻射傳熱，可模擬漫反射、鏡面反射和透射。熱耦合技術在不連接、不匹配或不相似的網格之間建立熱通路。強大的航天器軌道熱效應分析，包含軌道環境熱載、軌道和姿態模型構造及航天器自轉等。共軛梯度求解器運用多種控制方法和運行選項進行穩態或瞬態熱分析 。
2 用TMG進行航天器熱分析的步驟
由于TMG和I-DEAS軟件集成在一起，所以從建模、網格劃分、邊界條件和求解參數的設置以及后處理等熱分析的全過程均可在I-DEAS軟件中進行，無需附加的輸入文件或幾何轉換。用I-DEAS TMG進行計算及仿真的過程可分為5個基
本步驟：幾何造型、定義材料和物理特性、劃分熱模型網格、定義軌道參數以及求解和后處理。
2．1 幾何造型
我們可使用I-DEAS中全部幾何造型命令來構造熱分析模型。由于I-DEAS實體建模是以變量化設計為基礎且尺寸和約束驅動修改，因此構造、修改模型比較方便。用I-DEAS建立好的衛星模型如圖1所示。
2．2 定義材料和物理特性
在有限元模型里，材料特性被用來定義單元的熱特性。
當模型中單元生成時，就必須為單元定義一定的材料特性，因此，材料特性是分析模型中單元的一種屬性。針對不同材料的實體傳導和表面輻射，必須定義相應的熱傳導率和輻射率，TMG包含一個材料數據庫，可以修改、增加材料。材料數據庫擁有鏡面反射和漫反射表面的涂層數據、熱傳導率、比熱容等各種計算所需的材料特性Ⅲ。物理特性是單元的另一種屬性，如殼單元的厚度、梁單元的橫截面積等。
2．3 劃分熱模型網格
劃分熱模型網格包括劃分傳導單元網格、熱耦合單元網格、熱邊界條件單元網格和流動曲面單元網格。傳導模型可用三維線性六面體、楔形和四面體單元，非零厚度的二維線性薄殼單元和橫截面積不等于零的一維線性梁單元來造型。耦合模型通常用殼單元來造型，梁單元和集中質量單元也可用來生成耦合。熱邊界條件可以設置在三維實體單元、二維殼單元、一維梁單元和集中質量單元上，也可在實體單元表面、殼單元的邊上、梁單元的端點生成附加的單元來定義邊界條件。而流動曲面只能用二維薄殼單元來造型。對圖1中的模型全部采用殼單元有限元網格劃分，其中太陽電池陣兩表面間的傳導用傳導熱耦合，而不是用三維實體熱傳導模型，衛星內部用了一個非幾何單元建模并設定為一個固定的溫度，這個非幾何單元用輻射熱耦合連接到衛星主體的6個表面。衛星主體和太陽電池陣分別用不同厚度的殼單元進行網格劃分，其它部分被忽略不計。劃分好的有限元模型如圖2所示。
2．4 軌道任務設計
軌道任務編制包括定義軌道、衛星方位、有效載荷和太陽電池陣。在I-DEASTMG模塊中軌道定義可以用多種方法描述，比如經典、B角、太陽同步、行星／太陽矢量等軌道類型。為了幫助設計人員校驗軌道，先進的軌道可視化系統能幫助快速驗證軌道定義的正確性，可以用動畫把航天器模型沿軌道軌跡運動顯示出來，本次計算衛星軌道參數為：① 軌道半長軸：8 885．95Km；②軌道偏心率：0．1；③ 軌道傾角：45。；④ 軌道周期：7 230．21秒；⑤ 軌道姿態：+z面為衛星的對地面，+Y方向為飛行方向；⑥ 升交點到軌道近地點地角距：5O。；⑦ 春分點到升交點的地心角距：30。；⑧ 軌道步長的劃分軌道按照0~-360。進行12等分，如果軌道上有遮擋，兩個附加的計算位置將被分別加在遮擋的起始處和終結處。軌道示意圖如圖3所示。
軌道定義后，與軌道、地球和太陽相關的衛星方位就定義了，自由度、旋轉軸和旋轉限制也相應被描述。TMG的聯接功能對于諸如太陽電池陣列、跟蹤天線或遙控設備等機械組
件的運動引起的瞬態輻射換熱進行模擬。聯接對被選擇的單元項相對于模型中其它部分的剛體運動進行建模，在模型中支持轉動和平動鉸鏈，并提供了一套圖形工具來對機械運動進行動畫模擬。
2．5 求解和后處理
利用TMG的求解器可以求解模擬穩態和瞬態條件下的溫度響應得熱模型，對于在軌衛星的瞬態分析，瞬態熱模型是通過在離散的時間段上積分求解的。時間步長只是時間域的網格，大的或快速的溫度改變需要較細的時間步長，對于軌道衛星這樣的周期模型中，應使用周期性收斂，當使用周期收斂時，TMG用指定的溫差與循環的起點和終點溫度相比，以判斷是否收斂。除了熱模型的溫度結果外，TMG還可以獲得熱流、視角系數值和質量流率等更多的結果。求解參數設定以后，TMG就會自動進行計算。一旦求解過程結束，就可以把結果加載進模型文件中。溫度結果可以用溫度等值線顯示法來評估溫度結果。圖4和圖5是瞬態熱分析的結果。通過瞬態熱分析，能夠得到該衛星在軌道上各個時刻的詳細溫度分布，從而為進一步的熱變形計算 以及熱控方案的實施提供了必要的溫度數據。
3 結束語
I-DEAS TMG 熱設計系統集成了全部空間飛行器設計環境。具有完全集成的功能來分析航天器的環境熱，包括直接的太陽光源、星體反照率和行星熱流。該模塊包含一個復雜的系統用于構建航天器熱分析各種復雜功能，使分析人員可以形象地了解衛星軌道、位置、軌道熱載、溫度及其它可用數據。為了反復校正設計參數，可以方便地修改設計數據。
應用的結果表明I-DEAS TMG對于求解航天器在軌溫度場非常方便快捷，在需要進一步分析熱變形和熱應力時，熱分析得出的溫度分布可以直接應用于I-DEAS的結構分析中，這樣能夠大大提高分析效率和計算精度。
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