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序

從航空航天行業(yè)的發(fā)展史可以非常清晰地看到，重大突破（無論是飛機、衛(wèi)星、宇航員太空服還是其它成功的新產(chǎn)品）的動力來自于材料、技術(shù)與方法領(lǐng)域的創(chuàng)新。 自1956年波音公司首次將有限元法用于飛機機翼的結(jié)構(gòu)分析，吹響了有限元的號角?？梢哉f，航空航天領(lǐng)域的發(fā)展，離不開仿真計算的發(fā)展。

飛行器種類眾多，但從組成來看，大的方向，可以分為包括飛行控制系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、儀表系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、水系統(tǒng)、 武器系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)在設(shè)計、制造和研發(fā)過程中應(yīng)用的學(xué)科，幾乎涉及了所有重要專業(yè)領(lǐng)域：微機電系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、流體力學(xué)、傳熱學(xué)、材料等。本解決方案從 這幾個方面加以闡述。

微機電系統(tǒng)分析

飛行器的控制系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、儀表系統(tǒng)等都屬于微機電系統(tǒng)的范疇，微機電系統(tǒng)即包括執(zhí)行器、傳感器、換能器等等。從仿真角度分析，涉及各類物理場的耦合：結(jié)構(gòu)力學(xué)、傳熱、電磁甚至光學(xué)。
光學(xué)分析

飛行器各類系統(tǒng)中有很多涉及光學(xué)方面的，例如紅外探測，“光學(xué)窗口”，衛(wèi)星望遠鏡等，這些領(lǐng)域均涉及光、熱、力的耦合問題。

熱、流分析

飛行器的動力系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、水系統(tǒng)均涉及熱流，即各類復(fù)雜內(nèi)外部環(huán)境下的熱管理，而這熱又往往與流體有關(guān)。

飛行器流固耦合分析

航空航天范疇的飛行器，飛行速度往往很快，因此飛行環(huán)境及自身飛行姿態(tài)對飛行器的狀態(tài)至關(guān)重要，外部空氣與飛行器自身的共同作用，是對機身結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重考驗，大模型的高馬赫數(shù)流固耦合問題求解較為困難。
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一、微機電系統(tǒng)分析

飛行器通過傳感器測量各種直接參數(shù)，由機載計算機計算得到間接參數(shù)，經(jīng)系統(tǒng)處理轉(zhuǎn)變?yōu)榭涩F(xiàn)實的參數(shù)，由顯示系統(tǒng)以指針或圖形方式顯示出來，或?qū)⑦@些參數(shù)傳 輸給自動控制系統(tǒng)，產(chǎn)生控制指令，直接由執(zhí)行器改變飛行狀態(tài)。飛行器上微機電系統(tǒng)范疇的組件包括壓力傳感器、溫度傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、加速度傳感器、迎角 傳感器、陀螺儀、被動微波傳感器、雷達和天基的GPS傳感器以及微馬達執(zhí)行器、微泵、微閥、諧振器等等。

仿真實例一：環(huán)型激振器

激振器（vibration exciter）是附加在某些機械和設(shè)備上用以產(chǎn)生激勵力的裝置，是利用機械振動的重要部件。激振器能使被激物件獲得一定形式和大小的振動量，從而對物體進行振動和強度試驗，或?qū)φ駝訙y試儀器和傳感器進行校準(zhǔn)。

本案例的環(huán)形激振器由一個金屬環(huán)和兩個壓電堆棧組成。由于電勢差的作用，壓電材料產(chǎn)生橫向位移致金屬環(huán)頂部發(fā)生上下的位移。這類型的傳動機構(gòu)的主要目標(biāo)是 高精度定位。上圖分別為幾何模型以及工作狀態(tài)下的電勢分布以及位移分布情況，從圖中可以看出，壓電材料經(jīng)較小的橫向縮小，可以引起整個器件縱向較大的位 移。

仿真實例二：加速度計

加速度計作為測定物體加速度的儀器，已被廣泛地應(yīng)用于飛機、潛艇、導(dǎo)彈、航天器等裝置的制導(dǎo)中，包括壓電式、壓阻式、電容式等。

加速度計比較重要的設(shè)計包括壓電效應(yīng)、彈性阻尼、模態(tài)分析、諧振分析以及品質(zhì)因數(shù)Q。

仿真實例三：壓力傳感器

壓力傳感器主要是利用材料的壓電效應(yīng)制造而成的，是一種最常用的傳感器。

壓力傳感器的設(shè)計涉及因素很多，例如壓阻效應(yīng)、敏感元件的幾何參數(shù)分析、材料性能參數(shù)識別、薄膜力學(xué)特性以及預(yù)應(yīng)力的影響等等。

仿真實例四：電磁閥

電磁閥是用電磁控制的工業(yè)設(shè)備，是用來控制流體的自動化基礎(chǔ)元件，屬于執(zhí)行器，并不限于液壓、氣動。用在工業(yè)控制系統(tǒng)中調(diào)整介質(zhì)的方向、流量、速度和其他的參數(shù)。電磁閥可以配合不同的電路來實現(xiàn)預(yù)期的控制，而控制的精度和靈活性都能夠保證。

電磁閥設(shè)計時需要考慮的重要因素為電磁力變化，這個變化和眾多因素有關(guān)，例如移動部件的軸向位置、離心率、移動部件的形狀以及線圈電流等。

仿真實例四：微小衛(wèi)星熱控及定位

嚴(yán)格來說，所謂微小衛(wèi)星就是基于微機電系統(tǒng)利用超微型加工技術(shù)和集成技術(shù)，將微小衛(wèi)星的電源、制導(dǎo)與控制系統(tǒng)、熱控系統(tǒng)、遙控、數(shù)據(jù)處理等高度集成，實現(xiàn) 模塊化、微型化、超輕量化。隨著電子集成技術(shù)特別是微機電技術(shù)迅猛發(fā)展，微小衛(wèi)星已嶄露頭角，為了提高有效載荷比，將星上電子系統(tǒng)和其它分系統(tǒng)高度集成， 需要進行光、機、電、熱一體化的設(shè)計。微小衛(wèi)星的研制涉及到MEMS技術(shù)、大規(guī)模集成電路封裝技術(shù)、電子系統(tǒng)集成與嵌入式組件設(shè)計、高強度蜂窩結(jié)構(gòu)、高導(dǎo) 熱率材料、輕質(zhì)復(fù)合材料、納米材料和薄膜結(jié)構(gòu)等。從衛(wèi)星總體的角度來看，微小衛(wèi)星的研制需要解決的關(guān)鍵技術(shù)有：姿態(tài)控制、能源技術(shù)、通信機制、熱控技術(shù)等 等。從衛(wèi)星熱控制的角度來說，高熱流密度、低熱慣性將是面臨的新的挑戰(zhàn)，尤其對于微小衛(wèi)星更是一個嚴(yán)峻的考驗。

上面兩幅仿真結(jié)果圖片來自于空間系統(tǒng)承包商LuxSpace，該案例主要考慮了器件在低溫環(huán)境下的可靠性，探測器的靈敏度，甚至在軌衛(wèi)星的四種輻射影響（太陽輻射，地球反照率和深空紅外以及主動散熱）
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二、光學(xué)分析

紅外探測器、衛(wèi)星望遠鏡是非常典型的飛行器光學(xué)系統(tǒng)的代表，仿真分析涉及光學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)等方面。

仿真實例一：紅外探測器

紅外探測器在軍事或民用上有著廣泛的應(yīng)用，它主要是通過探測目標(biāo)的紅外輻射來實現(xiàn)對目標(biāo)的探測。

本案例中的紅外探測，采用微熱輻射材料吸收紅外波，自身發(fā)熱，熱應(yīng)力引起材料形變。

仿真分析結(jié)果如下：

仿真實例二：望遠鏡

天文望遠鏡可從功能上分解為光學(xué)系統(tǒng)、機械結(jié)構(gòu)和自動控制三大子系統(tǒng)，即對應(yīng)于光機電三大學(xué)科，是典型的光機電耦合系統(tǒng)。

歐洲特大望遠鏡的鏡面主控的仿真分析：

三、熱、流分析

飛行器的熱、流十分復(fù)雜，例如衛(wèi)星在外太空，接收來自太陽、地球的輻射、地球返照太陽輻射，以及衛(wèi)星自身發(fā)熱，再例如飛行器中的單相流回路熱控系統(tǒng)中的泵、閥、補償器等組件的回路設(shè)計，均因影響因素過多，往往需要借助于仿真分析手段加以設(shè)計完善。

仿真實例一：衛(wèi)星溫度場分析

衛(wèi)星在軌道上飛行，其與外部環(huán)境的熱量交換方式幾乎完全是通過輻射方式進行，基本不存在對流和傳導(dǎo)，其接受的表面外熱流主要是太陽輻射，地球?qū)μ栞椛涞姆瓷?，地球紅外輻射和衛(wèi)星自身內(nèi)熱輻射4種，如下圖所示：

從上圖中的節(jié)點溫度分布圖可以看出，衛(wèi)星表面溫度呈周期性變化，這與衛(wèi)星周期性進入照射區(qū)和陰影區(qū)相符合。由于初始溫度設(shè)置隨意性的原因，衛(wèi)星經(jīng)過大概兩個周期的時間，達到穩(wěn)定變化狀態(tài)。

仿真實例二：衛(wèi)低溫回路熱管設(shè)計

 隨著空間制冷和探測技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的工程任務(wù)需要工作在200 K 左右的低溫回路熱管進行探測儀器負(fù)載上廢熱的收集、傳輸與排散。針對低溫回路熱管（Cryogenic Loop Heat Pipe，CLHP)，目前的研究多以實驗為主，但是低溫實驗通常成本高、周期長，而且結(jié)果易受外界因素的影響，為此通過開展仿真計算來探清CLHP的運 行機制并指導(dǎo)未來的實驗工作已成為CLHP研究的一個重點。

分析結(jié)果：

四、飛行器流固耦合分析

流固耦合是研究變形固體在流場作用下的各種行為以及固體位形對流場影響這二者交互作用的一門科學(xué)。它的一個重要力學(xué)特征是兩相介質(zhì)之間的交互作用 (fluid-solid interaction)，當(dāng)流體與結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成的體系受到動載荷作用時，流體與固體之間發(fā)生相互作用，即固體在流體作用下產(chǎn)生變形或運動，而這變形和運 動又反過來影響流體的運動，從而改變流體載荷的分布和大小，正是這種相互作用在不同條件下將產(chǎn)生形形色色的流固耦合現(xiàn)象。在航空航天工程中，飛行器的氣動 彈性振動問題和含液容器的晃動問題，是典型的流固耦合問題。

仿真實例一：高超音速的流固耦合

飛行器在出入大氣層或在空間中做高超聲速飛行時，強烈壓縮前方空氣，并與周圍空氣劇烈摩擦，大部分動能轉(zhuǎn)化為熱能，使得飛行器附近空氣溫度劇烈升高并加熱 飛行器壁面。當(dāng)飛行高度為24km，飛行馬赫數(shù)為7時，在半徑為20mm的前緣鼻錐表面上的熱流密度高達2—3MW/m2。高溫對高超聲速飛行器材料的耐 熱性以及在高溫條件下結(jié)構(gòu)的承載能力提出了更高的要求，因此氣動熱及其熱防護技術(shù)己成為制約高超聲速飛行器發(fā)展的關(guān)鍵問題之一。

仿真實例二：渦輪機械的流固耦合

在葉輪機械內(nèi)部，流體和固體葉片之間存在著相互作用：流場的氣動力加載到葉片表面，引起葉片的振動，而葉片的振動位移反過來作用于流場邊界，引起流場的改 變，進而改變作用于葉片上的氣動力。葉輪設(shè)計的重點是：最大應(yīng)力與形變的計算（葉片、渦輪機轂、推進器以及傳動軸），另外，葉輪的軸承注油方法也是必須要 重點考慮的。

仿真實例三：低溫晃動流固耦合分析

作為液體火箭發(fā)動機能量的來源，低溫推進劑貯箱是推進劑輸送系統(tǒng)的核心組件，由于存在復(fù)雜的流-固、氣-液兩相瞬態(tài)傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象，在低重力環(huán)境下還要考慮 表面張力的影響，因此也是輸送系統(tǒng)中研究難度最大的組件，對推進劑輸送系統(tǒng)的研究不可避免地側(cè)重于對貯箱的研究，反過來說，貯箱結(jié)構(gòu)設(shè)計和數(shù)學(xué)建模的好壞 程度也直接決定了推進劑輸送系統(tǒng)設(shè)計和數(shù)學(xué)模型的可靠程度。

五、本方案中所采用的軟件

微機電系統(tǒng)、光學(xué)分析、流固耦合分析由Oofelie Multiphysics（以下簡稱Oofelie）軟件完成，Oofelie是SAMTECH集團Open Engineering公司的旗艦產(chǎn)品，適用于電學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、機械等耦合系統(tǒng)的造型及參數(shù)化設(shè)計，結(jié)合了靜電效應(yīng)、聲學(xué)振動、相變、熱傳及流體理論。

SAMTECH是歐洲領(lǐng)先的CAE解決方案開發(fā)商，成立于1986年，主要致力于結(jié)構(gòu)有限元分析、機械系統(tǒng)虛擬仿真、多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計以及多物理場耦合分 析。SAMTECH在2001年成立Open Engineering，從事多物理耦合分析的開發(fā)和研究。多年來，SAMTECH憑借其強大的技術(shù)實力、專業(yè)的技術(shù)團隊及完善的服務(wù)體系贏得了全球如航 空航天、國防、汽車、能源、船舶等工業(yè)以及高等院校用戶的青睞。

Oofelie Multiphysics軟件主要特點如下：

?多物理場仿真求解

可以完成復(fù)雜電磁、傳熱、結(jié)構(gòu)、流體、振動、聲學(xué)、光學(xué)耦合仿真問題的高效計算。

?快速、精確計算

支持多種算法：有限元法（FEM）、邊界元法（BEM）、有限體積法（FVM）、快速多極子算法（FMM）；支持FEM、BEM、FVM等算法直接耦合計算。

?強耦合仿真計算

提供耦合單元，在單元節(jié)點、邊、面上都有多重自由度，允許各個物理場的本構(gòu)方程在單元上耦合并同時求解。

    更多Oofelie Multiphysics軟件信息，歡迎訪問http://oofelie.cntech.com.cn/。

熱、流分析由SINDA/FLUINT（以下簡稱S/F）軟件完成，S/F是一款應(yīng)用于復(fù)雜系統(tǒng)熱設(shè)計分析和流體流動分析的綜合性有限差分軟件，由美國 Cullimore & Ring公司開發(fā)。多年以來，S/F已經(jīng)在航空航天業(yè)界提供給用戶最可靠的傳熱與流體流動設(shè)計分析服務(wù)。所有的NASA用戶都使用此軟件，參與NASA國 際空間站合作項目的客戶都必須使用S/F軟件進行熱設(shè)計。

S/F基于有限差分法、集總參數(shù)理論、離散化的經(jīng)驗公式，應(yīng)用領(lǐng)域包括如下領(lǐng)域：

熱輻射、流固耦合傳熱分析、復(fù)雜管網(wǎng)及水力件、熱管、壓縮循環(huán)、多相/多組分流動（自動判別流域變化/臨界熱流/臨界流）、旋轉(zhuǎn)機械、水錘、線面接觸熱 阻、隔熱絕熱材料、導(dǎo)熱強化措施、多軸旋轉(zhuǎn)或多自由度平移輻射、翅片/泵/壓力損失件模擬、物理化學(xué)反應(yīng)熱（相變與熱燒蝕）分析、半導(dǎo)體制冷等，涵蓋了熱 流工程應(yīng)用的方方面面。

S/F的熱流分析能力及特點如下：

1、 熱模擬能力

1) 穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)分析能力

? 導(dǎo)熱、對流、輻射，熱容、燒蝕、融化、升華；

? 隨時間、溫度、壓力變化的屬性和參數(shù)；

? 參數(shù)化分析與重啟計算能力；

? 內(nèi)建可實現(xiàn)自動關(guān)聯(lián)求解的多變量表；

? 大量內(nèi)建輔助分析庫函數(shù)；

? 從設(shè)備級到系統(tǒng)級的性能模擬；

2) 高級設(shè)計

? 設(shè)計優(yōu)化、目標(biāo)捕獲、極端工況自確定；

? 自動擬合實驗數(shù)據(jù)（修正模型）；

? 可靠性工程（統(tǒng)計分析各種不確定性）；

3) 用戶自添加邏輯的一并運行

? 模擬控制系統(tǒng)合復(fù)雜組件；

? 自定義數(shù)值算法、輸入、輸出；

? 與其它程序和軟件交互；

引入子模型概念，同時S/F提供的不再僅僅是穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的計算程序，而是多種求解方案。

2、 流體模擬能力

? 任意構(gòu)建的復(fù)雜系統(tǒng)，1D流體網(wǎng)絡(luò)，包括在2D和3D控制體內(nèi)的熱分層現(xiàn)象；

? 單相/兩相、單組分/混合物，包括沸騰、蒸發(fā)、凝結(jié)，兩相流的均勻流、滑移流動、熱管、多相流中的自動流域匹配等；

? 穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)（從換熱器尺寸穩(wěn)態(tài)優(yōu)化到流體瞬態(tài)動載，如水錘）；

? 設(shè)計優(yōu)化、極端工況自確定、試驗數(shù)據(jù)標(biāo)定、統(tǒng)計學(xué)設(shè)計；

? 多層次模擬近似（系統(tǒng)級設(shè)計的幾十個單元到部件級設(shè)計數(shù)萬單元）；

? 模擬多種流體（從數(shù)據(jù)庫調(diào)用或自定義）、可壓和不可壓；

? 通過流體組件（泵、風(fēng)扇、閥門、三通、濾網(wǎng)等）；

? 利用對稱性和冗余特征實現(xiàn)計算簡化；

? 隨時間和方向變化的質(zhì)量力、自然對流、耦合傳熱；

? 毛細設(shè)備、旋轉(zhuǎn)機械、高速流體流動中的能量傳遞；