[发明专利]一种ANSYS中等厚度二次曲面光学头罩有限元模型的建立方法

说明书

技术领域

本发明属于气动光学效应研究领域，涉及一种ANSYS中等厚度二次曲面光学头罩有限元模型的建立方法。

背景技术

随着科学技术的迅速发展，研究发现飞行器二次曲面光学头罩在复杂气动热环境下具有比球形头罩更小的阻力和更好的成像质量，因而深入研究其气动性能对于指导飞行器头罩的外形设计具有重要的意义，同时也为气动热环境下高速飞行器外流场和头罩光传输仿真分析和头罩热辐射计算提供数据支持。

气动热环境下二次曲面光学头罩由于热传导和热应力等效应导致头罩材料的外形和光学性质发生变化，进而影响来自目标的红外辐射光线传输，使得高速飞行器成像探测系统对目标图像产生像模糊、抖动、偏移和能量衰减，最终将严重影响高速飞行器的探测性能。飞行器在大气层中高速飞行时其头罩与来流之间发生剧烈的相互作用，头罩温度升高，使光学成像探测系统处于复杂的气动热环境中，这种效应称为飞行器光学头罩气动热效应。要想分析二次曲面光学头罩气动热效应，我们需要先建立其有限元分析模型，然后利用有限元分析软件ANSYS对头罩进行热-结构耦合计算，对应分析其气动热效应。

在ANSYS前处理器中的模型建立模块，可以直接通过用户界面建立的模型种类较少。常见的可以直接利用ANSYS中现有的建模工具进行建模的只有像等厚度球形头罩，长方体平板侧窗等较普遍、较规则的形状，对于一些较复杂的面形以及多形状拼接的模型，在ANSYS中直接建立模型比较困难。但是随着科技的发展，飞行器的头罩种类已经从球形向上述的二次曲面(也称共形)、多形状拼接型(例如球锥型)，以及自由曲面等方向发展。要想对飞行器高速飞行状态下的外流场以及其自身进行分析，有限元分析模型的正确建立是其前提条件。但是在不借助其他如SolidWorks、Proe、UG等相关建模软件的帮助下，在ANSYS中直接建立飞行器等厚度二次曲面头罩有限元模型、多形状拼接头罩有限元模型比较困难。本发明提出了一种在ANSYS中采用自底向上建立等厚度二次曲面头罩有限元模型的方法，其中所建立的二次曲面面形包括椭球面形与抛物面形。

发明内容

为了解决在ANSYS中直接建立等厚度二次曲面有限元模型难的问题，使得以后对于二次曲面光学头罩的热结构耦合计算从实体模型到有限元模型的建立、热力学边界条件的加载以及到整体热-结构耦合计算的实现都可以在ANSYS中进行而不必借助其他实体模型建立软件，本发明提供了一种ANSYS中等厚度二次曲面光学头罩有限元模型的建立方法。在本发明中，采用ANSYS-APDL语言开发了一种自底向上建立等厚度二次曲面光学头罩有限元模型的方法，其中所建立的二次曲面光学头罩有限元模型包括抛物面有限元模型与椭球面有限元模型。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种ANSYS中等厚度二次曲面头罩有限元模型的建立方法，包括以下步骤：

一、确定二次曲线方程，并将其转化为函数形式

根据要建立的二次曲面光学头罩有限元模型的基本参数，对其立体模型在XY平面进行投影，确定该平面上内外侧二次曲线方程，并将其转换为函数形式。

在本发明中，所建立的二次曲面光学头罩有限元模型包括椭球形与抛物面形两种形状，对应的二次曲线方程包括椭圆方程与抛物线方程。建立平面直角坐标系，得到要建立的椭球在XY平面的截面图，如图1所示，依据下边椭圆方程：

式中，a——椭圆半长轴，b——椭圆半短轴。

分别将内外侧特殊点数据带入上述参数方程，即得到内外侧两条部分椭圆曲线的曲线方程。

为了下一步建立一系列关键点，需要将得到的椭圆参数方程转化为如下的函数形式：

同理依据抛物线参数方程：

y＝ax²+b

式中：a，b均为系数。

建立直角坐标系，如图2所示，依据所给抛物线基本技术参数，取特殊点数据带入抛物线方程中，因而可以确定内外侧抛物线的曲线方程。

到此，按照上述方法，已经成功按照给定的二次曲面头罩模型尺寸，建立了其在XY方向上对应的曲线方程，并转化为函数表达形式。

二、依据要建立模型的开口方向选定自变量并确定自变量的范围

本发明所要建立的椭球面光学头罩与抛物面光学头罩开口均沿Y轴方向，根据由步骤一所确定的椭圆与抛物线方程，在本发明中选择x为自变量，y为函数。根据头罩顶点到底端面的距离，按照函数关系，我们可确定自变量的取值范围。

三、基于ANSYS-APDL语言编写循环命令建立疏密分布的关键点