全流程闭环的结构热试验虚拟仿真系统及方法技术方案

本发明专利技术提供了一种全流程闭环的结构热试验虚拟仿真系统及方法，包括：采用有限元分析的方式进行虚拟试验的传热分析计算；以加热元件为基本单元进行虚拟试验热载荷加载；对虚拟试验进行闭环控制；进行虚拟试验的可视化展示；对结构热试验虚拟仿真的三维数值模型进行分类管理，包括数字化材料库与各类数字化模型；对结构热试验各类试验模型进行建模，建立试验对象的数字化模型，并将数字化模型进行网格划分并从数字化材料库中赋予其材料属性，建立完整的数字化模型库；对建立的模型进行修正处理。本发明专利技术的结构热试验虚拟仿真系统对结构热试验具有预示和指导作用，虚拟试验与仿真验证已成为缩短研制周期、降低项目风险和研制成本的主要途径。本的主要途径。本的主要途径。

【技术实现步骤摘要】
全流程闭环的结构热试验虚拟仿真系统及方法


[0001]本专利技术涉及航天结构热试验仿真
，具体地，涉及一种全流程闭环的结构热试验虚拟仿真系统及方法。

技术介绍

[0002]在航天领域，现阶段型号结构热试验的需求越来越大，而结构热试验造价高、风险大且目前的热试验方法均存在难以解决的弊端和难点，这就要求热试验需要具备更高的技术能力匹配新型号的研制。近年来，由于CAE技术的快速发展，虚拟试验技术成为验证产品热控设计的新手段。
[0003]结构热试验虚拟仿真系统是专门针对航天领域结构热试验开发，将结构热试验系统进行全流程虚拟化的仿真试验系统。系统可以实现结构热试验的虚拟化，实现试验过程及结果的仿真预示。
[0004]专利文献CN114139420A(申请号：CN202111462383.0)公开了一种石英灯辐射加热虚拟试验方法，属于虚拟试验
，解决了现有的加热虚拟试验不能准确的反馈真实的加热情况的问题。一种石英灯辐射加热虚拟试验方法，包括以下步骤：步骤1：建立加热控制系统的仿真模型；步骤2：建立试验件加热计算的仿真模型；步骤3：建立Matlab和Abaqus的实时数据交换；步骤4：对试验件进行热环境试验。然而该专利无法对结构热试验进行预示和指导，无法满足本专利技术的需求。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种全流程闭环的结构热试验虚拟仿真系统及方法。
[0006]根据本专利技术提供的全流程闭环的结构热试验虚拟仿真系统，包括：
[0007]热试验计算模块：采用有限元分析的方式进行虚拟试验的传热分析计算；
[0008]虚拟热试验加载模块：以加热元件为基本单元进行虚拟试验热载荷加载；
[0009]虚拟热试验控制模块：对虚拟试验进行闭环控制；
[0010]系统可视化模块：进行虚拟试验的可视化展示；
[0011]数字化模型库：对结构热试验虚拟仿真的三维数值模型进行分类管理，包括数字化材料库与各类数字化模型；
[0012]三维建模模块：对结构热试验各类试验模型进行建模，建立试验对象的数字化模型，并将数字化模型进行网格划分并从数字化材料库中赋予其材料属性，建立完整的数字化模型库；
[0013]模型修正模块：对建立的模型进行修正处理。
[0014]优选的，所述热试验计算模块包括：采用采用蒙特卡洛光线追踪算法分析地面辐射热环境，采用计算流体力学CFD方法模拟地面环境对模型件的综合影响，采用计算传热方法CHT分析试验件、试验工装的稳态或瞬态热响应。
[0015]优选的，所述虚拟热试验加载模块包括：加热元件石英灯的热电转换特性使用比电阻法进行计算，获取石英灯工作实时电压参数，通过比电阻法计算得到灯丝的工作温度，进而实现加热元件辐射热载荷的施加。
[0016]优选的，所述虚拟热试验加载模块包括：以石英灯为加热元件进行建模，考虑螺旋型钨丝对加热功率的影响以及石英玻璃管壁对钨丝产生的辐射能量的反射和透射，形成加热元件的数字化模型；根据加热元件的数字化模型，按照实物试验石英灯不同形式的排列方式，搭建多种试验场景的热源模型。
[0017]优选的，所述虚拟热试验控制模块包括：采用PID控制模拟技术获得虚拟热试验的PID控制模拟方法，进行虚拟试验的闭环控制，其PID控制器为离散化位置式控制器。
[0018]优选的，所述系统可视化模块包括：进行数字化模型库的模型预览、虚拟试验场景预览、虚拟试验控制实时显示和虚拟试验结果展示。
[0019]优选的，计算加热元件石英灯的热载荷的过程具体包括：根据实物试验控制系统控制输出量与加热元件工作电压的对应关系获取加热元件的实时工作电压，然后计算加热元件在实时工作电压下钨丝的比电阻值，根据钨金属在不同温度下的比电阻性质表中比电阻与温度的对应关系进行温度插值计算，获取实时工作电压下的灯丝工作温度，加热元件灯丝的工作温度即为热载荷。
[0020]优选的，加热元件在实时工作电压下钨丝的比电阻值的计算公式为：
[0021][0022]其中，ρ为钨丝比电阻，s为钨丝横截面积，L为钨丝总长度，t为经验参数，P额定为灯管额定功率，U额定为灯管的额定工作电压。
[0023]根据本专利技术提供的全流程闭环的结构热试验虚拟仿真方法，执行如下步骤：
[0024]步骤1：根据结构热试验中常见材料物性构建数字化材料库，同时根据试验对象特点进行分类，对关键区域进行模型优化，建立试验对象的数字化模型，并对其进行网格划分，构建数字化模型库；
[0025]步骤2：根据石英灯的热电特性、辐射特性、工作时间常数以及工作温度参数建立以单根石英灯为加热元件的数字化模型，根据加热元件搭建加热器模型，建立虚拟热试验加载模块；
[0026]步骤3：综合考虑试验各装置和周围环境的作用，基于NX TMG进行二次开发，建立热试验计算模块，完成传热分析计算；
[0027]步骤4：基于Matlab\Simulink建模搭建PID控制器与功率放大器的数字化模型，根据PID控制算法数学原理搭建控制器模型，根据功放原理及实测数据搭建包含线性段及非线性段的功放模型，以输入的控制点温度或热流曲线为控制谱线，以仿真计算的瞬态反馈量作为控制参量，实现虚拟热试验的闭环控制，建立虚拟试验控制模块；
[0028]步骤5：将虚拟热试验控制模块的输出信号经功率放大后的输出功率实时提供给虚拟热试验加载模块，将热载荷条件传递给热试验计算模块，完成虚拟热试验的热分析计算，再将控制点的热流密度/温度数据回传至虚拟热试验控制模块进行闭环控制计算；
[0029]步骤6：基于上述闭环系统进行封装，并对可视化界面进行设计，搭建虚拟仿真系
统可视化模块，实现系统的可视化。
[0030]优选的，系统的应用流程为：用户登陆虚拟试验系统，创建虚拟试验项目，导入虚拟试验的模型，并进行虚拟试验载荷施加，通过虚拟试验控制模块进行闭环控制，求解完成后，提取相关虚拟测点的结果数据，进行虚拟试验结果后处理。
[0031]与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：
[0032]本专利技术提供了一种全流程闭环的结构热试验虚拟仿真系统及设计方法，用于各种结构热试验全流程的虚拟仿真，结构热试验虚拟仿真系统对结构热试验具有预示和指导作用，虚拟试验与仿真验证已成为缩短研制周期、降低项目风险和研制成本的主要途径。
附图说明
[0033]通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0034]图1为本专利技术的全流程闭环的结构热试验虚拟仿真系统及设计方法的总体方案图；
[0035]图2为本专利技术的全流程闭环的结构热试验虚拟仿真系统及设计方法的技术方案图；
[0036]图3为本专利技术的全流程闭环的结构热试验虚拟仿真系统及设计方法的工作流程图。
具体实施方式
[0037]下面结合具体实施例对本专利技术进行详细说明。以下实施例将有助本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种全流程闭环的结构热试验虚拟仿真系统，其特征在于，包括：热试验计算模块：采用有限元分析的方式进行虚拟试验的传热分析计算；虚拟热试验加载模块：以加热元件为基本单元进行虚拟试验热载荷加载；虚拟热试验控制模块：对虚拟试验进行闭环控制；系统可视化模块：进行虚拟试验的可视化展示；数字化模型库：对结构热试验虚拟仿真的三维数值模型进行分类管理，包括数字化材料库与各类数字化模型；三维建模模块：对结构热试验各类试验模型进行建模，建立试验对象的数字化模型，并将数字化模型进行网格划分并从数字化材料库中赋予其材料属性，建立完整的数字化模型库；模型修正模块：对建立的模型进行修正处理。2.根据权利要求1所述的全流程闭环的结构热试验虚拟仿真系统，其特征在于，所述热试验计算模块包括：采用采用蒙特卡洛光线追踪算法分析地面辐射热环境，采用计算流体力学CFD方法模拟地面环境对模型件的综合影响，采用计算传热方法CHT分析试验件、试验工装的稳态或瞬态热响应。3.根据权利要求1所述的全流程闭环的结构热试验虚拟仿真系统，其特征在于，所述虚拟热试验加载模块包括：加热元件石英灯的热电转换特性使用比电阻法进行计算，获取石英灯工作实时电压参数，通过比电阻法计算得到灯丝的工作温度，进而实现加热元件辐射热载荷的施加。4.根据权利要求1所述的全流程闭环的结构热试验虚拟仿真系统，其特征在于，所述虚拟热试验加载模块包括：以石英灯为加热元件进行建模，考虑螺旋型钨丝对加热功率的影响以及石英玻璃管壁对钨丝产生的辐射能量的反射和透射，形成加热元件的数字化模型；根据加热元件的数字化模型，按照实物试验石英灯不同形式的排列方式，搭建多种试验场景的热源模型。5.根据权利要求1所述的全流程闭环的结构热试验虚拟仿真系统，其特征在于，所述虚拟热试验控制模块包括：采用PID控制模拟技术获得虚拟热试验的PID控制模拟方法，进行虚拟试验的闭环控制，其PID控制器为离散化位置式控制器。6.根据权利要求1所述的全流程闭环的结构热试验虚拟仿真系统，其特征在于，所述系统可视化模块包括：进行数字化模型库的模型预览、虚拟试验场景预览、虚拟试验控制实时显示和虚拟试验结果展示。7.根据权利要求1所述的全流程闭环的结构热试验虚拟仿真系统，其特征在于，计算加热元件石英灯的热载荷的过程具体包括：根据实物试验控制系统控制输出量与加热元件工作电压的对应关系获取加热元件的实时...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁迪，杨钦，柳世灵，周星光，王海东，
申请(专利权)人：上海航天精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：