[发明专利]一种基于弹性连接的热-机械耦合效应的分析方法及系统

说明书

本发明提供了一种基于弹性连接的热‑机械耦合效应分析方法及系统，属于弹性力学分支的应力分析领域，方法包括：根据环境实测温度，构建物体一端为弹性体约束模型的热平衡方程边界条件；通过物体一端为弹性体约束模型的热平衡方程边界条件，获取模型其他区域的动态温度场方程；根据各温度场求解物体一端为弹性体约束模型中各处应力场；根据物体一端为弹性体约束模型中各处应力场，并结合热应力模型与弹性体模型，获取物体各部分机械结构的运动学方程，进而对热‑机械耦合效应进行分析。本发明建立了考虑热效应的动力学方法，可用于预测大型空间飞行器测量系统的热扰动响应。

技术领域

本发明属于固体力学中弹性力学分支的应力分析领域，更具体地，涉及一种基于弹性连接的热-机械耦合效应分析方法及系统。

背景技术

温度的变化能够引起变形，高低温交替的热环境会导致机械部件产生热形变与热应力，从而引入机械振动。

如图1所示，如果物体内各点的温度变化是均匀的，两端是自由的，其变形不受约束，即可以自由膨胀或收缩，在物体内部只存在热变形，两端面不产生热应力。如图2所示，如果物体膨胀受到约束，即端面受限，此时，物体受热膨胀或者冷却收缩变形受到限制，物体不发生热形变，物体两端端面存在热应力。上述是两种极限情况，实际情况中物体端面与外部有联系，如何计算物体温度效应对外部的影响，特别是热-机械耦合效应，目前并没有公开相应的技术。基于上述原因，在设计和使用机械结构时，需要考虑热控与热传导等影响导致的温度差异，并采取相应的措施以控制温度并减少相应结构的变形与振动。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种基于弹性连接的热-机械耦合效应分析方法及系统，目的在于建立包含实测温度的模型，计算出应力分布，进而分析热-机械耦合，建立考虑热效应的动力学方程。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于弹性连接的热-机械耦合效应分析方法，包括以下步骤：

步骤一：根据环境实测温度确定物体的温度分布，结合物体材料的比热容、材料密度和温度变化时间，构建物体一端为弹性体约束模型的热平衡方程边界条件；

步骤二：通过物体一端为弹性体约束模型的热平衡方程边界条件，基于弹性体与周边介质的热交换满足牛顿冷却定律、弹性体表面不进行热交换以及弹性体表面热量平衡方程，计算获取模型其他区域的动态温度场方程；其中，其他区域为物体一端为弹性体约束模型未测量温度区域；

步骤三：根据各温度场，结合热效应中的应力应变本构关系，求解物体一端为弹性体约束模型中各处应力场；

步骤四：根据物体一端为弹性体约束模型中各处应力场，并结合热应力模型与弹性体模型，获取物体各部分机械结构的运动学方程，进而对热-机械耦合效应进行分析。

进一步优选地，热平衡方程边界条件为：

其中，C为导热系数；ρ为材料密度；t为时间；T为实测温度。

进一步优选地，动态温度场方程为：

其中，λ为导热系数；β为热交换系数；T(x，y，z，t)为物体内部温度；T_a为周边环境介质温度；公式(1)表征弹性体与其周边介质的热交换满足牛顿冷却定律；

T(x，y，z，t)|_s＝T_s(t)       (2)

其中，T_s(t)为物体表面温度；公式(2)表征弹性体表面不进行热交换；

其中，w为与外界交换的热功，即物体表面任意一点的法向热流等于此点与外界功的交换；公式(3)表征弹性体表面热量平衡。