基于Simulink和Comsol联合仿真的虚拟热试验系统.pdf

第 6 卷 第 2 期2023 年 6 月空天防御AIR&SPACE DEFENSEVol.6，No.2Jun.，2023基于Simulink和Comsol联合仿真的虚拟热试验系统周星光，王肇喜，刘博，梁迪，柳世灵，傅烨（上海航天精密机械研究所，上海201600）摘要：通过Simulink和Comsol软件联合仿真搭建虚拟热试验系统，实现热试验的完全虚拟化；利用联合仿真技术，实现对控制系统、电场、热场的综合仿真分析；可一次性直接观测各个观测点数据状态，包括功放输出状态信息、加热器输出状态信息及被试件热热状态信息。虚拟热试验系统对工程热试验具有预示和指导作用，可以实现超出现有热环境地面模拟能力的热环境模拟，为型号的研制提供依据。关键词：虚拟热试验系统；Simulink软件；Comsol软件；联合仿真中图分类号：V416.4 文献标志码：A 文章编号：2096-4641（2023）02-0084-04Virtual Thermal Test System Based on Simulink and Comsol Co-simulationZHOU Xingguang，WANG Zhaoxi，LIU Bo，LIANG Di，LIU Shiling，FU Ye（Shanghai Spaceflight Precision Machinery Institute，Shanghai 201600，China）Abstract:A virtual thermal test system was produced using the co-simulation of Simulink and Comsol to realize the complete virtualization of the thermal test.The co-simulation technology enabled the comprehensive simulation analysis of the control system,electric field,and thermal field.The data states of every single observation point can be acquired directly,including the output states information both of the power amplifier and the heater and the thermal states information of the test.The virtual thermal test system has a predictive and guiding role for engineering thermal tests and is capable to simulate the thermal environment beyond the actual existing thermal environment,thus providing a basic tool for the future development of models.Keywords:virtual thermal test system；Simulink；Comsol；co-simulation0引言随着飞行器飞行速度设计值的大幅度提高，由气动热引起的高温热环境变得越来越严酷1-7。气动加热会使飞行器结构的刚度下降，强度减弱，并产生热应力、热应变和材料烧蚀等现象，引起内部温度升高，使舱内工作环境恶化8-13。热试验是研究气动加热问题的有效方法，也是结构设计、强度及可靠性分析、产品性能检验和鉴定的重要手段。现有热环境地面试验能力难以完全覆盖新一代飞行器研制中的气动热防护设计验证需求，因此，需要开展基于仿真计算的虚拟热试验技术研究。气动热试验中各组件模型及工作原理复杂，仿真模型建设难度大；缺乏控制机理的仿真模拟，使试验件温度响应的仿真精度极低，无法为试验效果提供仿真预示和理论支撑。基于软件工程仿真的虚拟热试验，可以使热环境地面模拟技术水平有较大的提高，突破高热流输出加热器设计、高动态谱线的精确跟踪等瓶颈问题，对工程热试验具有预示和指导作用，还可以模拟超出现有地面模拟能力的热环境，为研制型号提供依据，加快研制进度，提高产品质量，降低研制成本。设计思路热试验的复杂性导致虚拟热试验的建立难度较收稿日期：2022-11-30；修订日期：2023-05-08作者简介：周星光（1991），男，硕士，工程师，主要研究方向为热环境工程。第 2 期周星光，等：基于Simulink和Comsol联合仿真的虚拟热试验系统大，目 前 国 内 还 没 有 全 面 开 展 此 方 面 的 研 究。巨亚堂14从热试验系统构成角度，分析了如何开展模块化虚拟热试验，但是没有具体的实现方法。窦强等15实现了被试产品和加热器的模型建立。王振亚等16给出一种基于MSC.Nastran/Patran有限元软件平台的石英灯虚拟热试验方法，利用有限元分析技术实现热试验虚拟化。国内对虚拟热试验的研究，公开文献主要集中在加热器及被试产品的虚拟化。热试验系统除加热器、被试产品外，还包括加热电源、控制系统，均未查询到相关资料。本文为了实现整个热试验系统的虚拟化，建立了虚拟热试验方法。如图1所示，利用Simulink软件（5.3 版本）实现控制系统虚拟化；利用 Comsol 软件（2020 版本）实现热场和电场虚拟化；通过 Simulink和Comsol软件联合仿真技术，实现控制系统和电场、热场之间的数据交互。模块输入信号为载荷谱给定信号；模块输出为电源变换装置对应的导通角。控制过程中，在虚拟热试验实施前，自由设置所需的比例、积分、微分等控制参数。电源变换模块以交流电源提供原始能源。通过可控硅、绝缘栅双极型晶体管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）、金氧半场效晶体管（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，MOSFET）等电力电子器件构建交流/交流变换器或者交流/直流变换器控制电源变换部分。电力电子器件的导通由控制模块输出进行控制。根据虚拟热试验过程中给定载荷谱的性质，选择反馈所用的信号是热流信息或温度信息。如图2所示。联合仿真过程中，运行Simlink控制模型时，基于Comsol的电场、热场模型会自动运行。在Simulink任意观测点，通过添加示波器观测模块，可以观测虚拟热试验过程中各个观测点信号变化。2数学模型的建立基于Simulink和Comsol联合仿真的总体设计思路是通过 Comsol分析石英灯管的辐射特性，实现辐射的数字化，将输入电压转化为辐射热量，电压的控制通过Simulink实现。总体设计框如图3所示。在图3中，给定信号与输出热流的差值传给控制器，控制器输出的信号经过处理变换为角度信号，利用脉冲发生器产生两路脉冲信号，再将得到的电压信号转换为功率信号传递给Comsol模块，利用Comsol模型计算得到热流信号，形成闭环控制系统。比例-积分-微分（proportion-integral-derivative，PID）控制器主要由比例、积分控制，其将 PID 控制器输出信号经过一系列数学计算转换为角度信号，传递给脉冲发生器，将脉冲发生器的第一、第四路脉冲信号传递给移相变压器，这两路信号相位相差180。交流调压器多通过移相触发调压的方式实现对电源的控制。移相触发调压是在交流电的正半周期或负半周期通过控制触发脉冲的相位来调整导通角，达到改变输出电压平均值的目的。在每半个周波内，通过对晶闸管开通相位的控制调节输出电压的有效值。石英灯可近似看作是纯电阻负载，电阻负载下的交流调压电路如图4所示。图中的晶闸管可用一个双向晶闸管代替。在交流电源的正半周和负半周，分别控制晶闸管 VT1和 VT2的开通角调节输出电压。正负半周起始时刻（0）均为电压过零时刻。在稳态情况下，应使正负半周的相等。图1虚拟热试验总体框架Fig.1Overall block diagram of virtual thermal test图3总体模型设计框架Fig.3Overall model design block diagram图2基于Simulink的控制模型Fig.2Simulink-based control model图4电阻负载单相交流调压电路Fig.4Resistive load single-phase AC voltage regulator circuit 85空天防御第 6 卷将电压转换为有效值后处理为功率信号传递给Comsol模块，后台服务器会自动调用Comsol进行一次运算，输出温度与热流信号。将热流信号与给定热流信号作差传递给PID控制器，完成整个闭环控制。3数据分析3.1载荷谱跟踪特分析根据第2章中所述的数学模型建立的模型，进行仿真计算，PID控制器输出如图5所示。模型中电压有效值如图6所示。分析图7和图8可以发现：3 s以前的控制效果较差，第1 s内由于石英灯热特性惯性，产生较大迟滞，存在正向误差；第23 s时间段内，控制量输出过大，产生较大超调。05 s时间段内的跟踪效果与工程热试验17过程中呈现的效果类似，说明所建立模型合理性较好。3.2加热器特性分析热试验过程中，热惯性主要由于石英灯钨丝引起。在固定输入功率下，建立的模型不同钨丝直径对应的热流稳定时间以及稳定值见表1。由表1可知，钨丝直径越小，热流稳定时间越小，热惯性越小，越有利于热流控制。图5PID控制器输出曲线Fig.5PID controller output图6电压有效值变化曲线Fig.6Voltage RMS change表1不同钨丝直径对应的热流响应特性Tab.1Heat flow response characteristics corresponding to different tungsten wire diameter钨丝直径/cm0.100.140.200.250.300.350.400.450.50稳定时间/s202533405059678089稳态热流/(kWm2)496.77496.23495.31494.44493.46492.38491.20489.95488.62图7热流跟踪性能曲线Fig.7Heat flow tracking performance图8温度跟踪性能曲线Fig.8Temperature tracking performance 86第 2 期周星光，等：基于Simulink和Comsol联合仿真的虚拟热试验系统石英灯加热器依靠热辐射进行能量传递，辐射能量与钨丝温度有关。借助模型分析不同输入电压下的加热器特性见表2。由表2可知，空气对热流辐射传输影响较小，可以忽略不计。4结束语通过Simulink和Comsol联合仿真技术搭建虚拟热试验系统，实现热试验的完全虚拟化；利用联合仿真技术，实现控制系统、电场、热场综合仿真分析；实现对功放输出状态信息、加热器输出状态信息、被试件热状态等信息的监测，不仅对工程热试验具有预示和指导作用，还可以实现超出现有地面模拟能力的热环境模拟。参考文献1 周锡仪.结构热试验技术 M.北京：宇航出版社，1993.2 张伟，张正平，李海波，等.高超声速飞行器结构热试验技术进展 J.强度与环境，2011，38（1）：1-8.3 汪立萍，赵霜，蒋长菊，等.国外高超声速武器发展动态 J.航天电子对抗，2020，36（5）：61-64.4 黄志澄.高超声速武器及其对未来战争的影响 J.战术导弹技术，2018（3）：1-7.5 王智勇.飞行器气动加热环境与结构响应耦合的热结构试验方法 J.强度与环境，2006，33（4）：59-63.6 朱广生，聂春生，曹占伟，等.气动热环境试验及测量技术研究进展 J.实验流体力学，2019，33（2）：1-10.7 刘强，崔赢午，陈志会，等.高气动加热环境下运载器局部防热设计与试验研究 J.强度与环境，2016，43（1）：54-59.8 王乐善，王庆盛.结构热试验技术的新发展 J.导弹与航天运载技术，2000（2）：7-13.9 ZHAO J，ZHOU R，JIN X L.Progress in reentry trajectory planning for hypersonic vehicleJ.Journal of Systems Engineering and Electronics，2014，25（4）：627-639.10 LU H B，YUE L J，CHANG X Y.Flow characteristics of hypersonic inlets with different cowl-lip blunting methods J.Science China Physics，Mechanics and Astronomy，2014，57（4）：741-752.11 吴大方，赵寿根，晏震乾，等.巡航导弹防热部件热-振联合试验 J.航空动力学报，2009，24（7）：1507-1511.12 HEEG J，ZEILER T，POTOTZKY A S，et al.Aero-thermoelastic analysis of a NASP demonstrator model C/34th AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC structures，structural dynamics and materials conference.LaJolla CA：AIAA，1993：AIAA-93-1479.13 王振亚，魏广平.烧蚀防热结构热模拟试验技术研究 J.工程与试验，2017，57（1）：58-61.14 巨亚堂.结构热强度虚拟试验平台技术研究 J.强度与环境，2008，35（3）：1-6.15 窦强，庞贺伟，魏传峰，等.航天器虚拟热试验平台的软件架构及其应用 J.航天器环境工程，2007，24（6）：370-373.16 王振亚，丛琳华.石英灯照射虚拟热试验程序的设计与实现 J.工程与试验，2020，60（3）：65-67.17 王毅，秦强，赵朋飞，等.舵面结构热模态试验方法研究 J.装备环境工程，2021，18（8）：7-13.表2空气对热流传输特性分析Tab.2Analysis of air-to-heat transfer characteristics输入电压/V52550100150200250输入功率/kW0.256.2525.00100.00225.00400.00625.00钨丝热流/(kWm2)真空1.19830.530123.690498.2201 122.9001 997.6003 122.300空气1.1230.01122.64496.231 120.21 994.33 118.6平板接收热流/(kWm2)真空1.0125.44102.51412.14928.931 652.802 583.80空气0.9425.01101.70410.60926.951 650.602 581.40 87