低成本航空发动机控制器的低温加热设计及优化.pdf

第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:作者简介:邓淼森()男硕士研究生:.通信作者:胡春艳()女硕士正高级工程师:.:./.低成本航空发动机控制器的低温加热设计及优化邓淼森胡春艳孙嘉娴陈弘扬(.中国科学院工程热物理研究所 轻型动力重点实验室 北京.中国科学院大学 航空宇航学院 北京)摘要:为保证低成本航空发动机控制器在低温环境中稳定工作设计了一种基于聚酰亚胺()加热膜的加热方案 对该加热方案在恒温阶段和升温阶段的加热效果进行了数值仿真分析以及实验验证仿真与实验结果表明:该方案可以满足控制器的保温需求以及快速升温需求 针对主板元件在升温过程中温度均匀性较差的问题提出了一种基于遗传算法的加热膜几何形状优化方法对遗传算法的交叉操作流程和变异操作流程进行了改进以满足加热膜在实际应用时受到的限制:加热膜布置区域必须为连通域、加热膜覆盖面积保持不变 使用该方法对主板加热膜的几何形状进行了优化并对优化后的加热效果进行了仿真分析仿真结果验证了该优化方法的有效性关键词:航空发动机控制器低温加热 加热膜数值仿真遗传算法本文引用格式:邓淼森胡春艳孙嘉娴等.低成本航空发动机控制器的低温加热设计及优化.兵器装备工程学报():.:.():.中图分类号:.文献标识码:文章编号:()(.):.:.:引言导弹、巡飞弹、靶机等飞行器使用的航空发动机属于消耗性产品具有寿命短、需求量大的特点这使得该类航空发动机对成本因素较为敏感 控制器是航空发动机的重要组成部分其低成本化是降低航空发动机总成本必不可少的环节之一采用商用现货()元件开发航空发动机控制器是降低成本的重要技术途径 元件是指可以直接从民用市场购买的元件如汽车级/工业级元件 相比于军品级元件 元件具有成本低廉、供货稳定、研发周期短等优点但是其可靠性与环境适应性较差这给 元件在航空电子设备中的应用带来了诸多困难为解决这些问题国内外学者开展了相关研究目前在器件筛选、性能评估、容错控制、冗余设计等方向 已经有了一些研究成果而环境防护方面的研究相对较少航空发动机控制器需要在 的环境温度下稳定工作而汽车级/工业级元件的最低工作温度为 如果在超出额定温度范围的情况下使用元件的可靠性、稳定性、寿命等都会受到影响这对于直接关系到飞行安全的航空发动机控制器而言是无法接受的 因此加热设计对于低成本航空发动机控制器在低温环境中的稳定工作起着重要作用张娅妮等设计了一种基于电阻加热膜的加热电路并进行了板级试验试验结果表明该加热方法能够满足机载电子设备的低温加热需求 张先锋等提出了一种印制电路板()内埋薄膜电阻的加热方法该方法将加热功能集成至 中不需要添加额外的附件有利于电子设备的小型化、轻量化设计 尹可等通过在 走线层布置导线来实现加热功能的集成化设计相比于张先锋的内埋电阻方法 内置走线加热层对 加工工艺的要求更低 聂营等在电动机控制器中安装一块加热板以维持控制器内部温度在稳态情况下该方法可以保证元件维持在额定温度范围内目前针对系统级电子设备低温加热的研究比较有限大多数文献相关研究的分析与验证工作都局限在电路板级其实用性有待商榷少数系统级研究虽然对低温加热有所涉及但仅仅只是做了简单介绍并没有针对该部分展开深入探讨针对现有研究的不足本文中以某低成本航空发动机控制器为研究对象设计了一种基于 加热膜的加热方案使用 对该方案的加热效果进行了数值仿真分析并在低温试验箱内完成了实验验证 为了解决主板元件在升温过程中温度均匀性差的问题本文中提出了一种基于遗传算法的加热膜几何形状优化方法并对主板加热膜进行了优化设计 加热方案设计 加热膜厚度薄、质量轻、电阻温度系数小且可以根据使用需求定制尺寸形状、工作电压、加热功率等参数能够很好地满足航空发动机控制器的低温加热需求 基于上述原因本文中选择 加热膜作为加热器将其贴附在电路板表面 由于加热膜必须完全贴合在被加热物体表面两者之间不能存在气隙因此加热膜只能布置在电路板表面没有元件的区域 如图 所示电路板共 块包括接口板、电源板和主板加热膜形状根据元件分布情况进行定制图 加热方案示意图.根据/机载电子设备通用指南的规定以及汽车级/工业级元件的最低工作温度将加热目标定为:环境温度 、控制器未上电(元件自身不发热)的情况下在升温阶段应保证 内将控制器中所有元件加热至 以上在恒温阶段应保证控制器中所有元件的稳态温度在 以上 仿真分析与实验验证.几何模型.机箱机箱材质为铝合金整体尺寸为 ()()()机箱上的倒角、螺孔和密封凹槽等细节对仿真结果影响很小在建模时进行了简化 简化处理有利于网格划分时减少网格数量、提高网格质量.采用 模型进行建模 模型根据 的过孔、布线等实际结构来计算得到 的物性参数能够邓淼森等:低成本航空发动机控制器的低温加热设计及优化准确地反映出 各布线层的物性参数分布情况效果如图 所示图 模型示意图.元件对于体积较小的电阻、电容、磁珠等元件建模时予以忽略 其余元件采用块模型材料性质参考 公司的典型集总封装()材料库具体数值见表 表 典型集总封装材料性质 材料名称导热率/()比热容/()密度/().其余几何模型加热膜内部布线排列紧密、分布均匀因此将加热膜简化为均匀发热的热源表 中列出了加热功率的分配情况表 加热功率分配情况 算例加热功率/主板电源板接口板恒温阶段.升温阶段 按照低温试验时的换热情况进行计算域建模控制器外部为大空间自然对流换热为保证数值计算的精度参考文献中的自然对流计算域设置准则将计算域尺寸设置为()()()以确保远场处的变量梯度足够小整体视图见图 控制器被放置在一块泡沫板上泡沫板热物性参数如下:导热率./()、比热容 /()、密度 /图 几何模型整体视图.边界条件与求解器设置恒温阶段算例进行稳态仿真计算域底部边界设置为无滑移恒温壁面其余 个边界设置为 边界环境温度 升温阶段算例进行瞬态仿真边界条件与恒温阶段算例相同设置初始速度为 /初始温度为 时间步长.计算终止时间 加热过程中控制器外部的空气进行自然对流瑞利数在 量级处于层流流态控制器与外部空气进行小温差换热采用 假设来引入密度差产生的浮力效应辐射换热采用离散坐标法进行求解收敛残差、离散格式、松弛因子等参数采用 默认设置.网格划分将计算域分为 个部分:控制器内部区域、机箱及近壁流体区域、背景区域 采用 网格对各区域进行非连续网格划分各区域的网格尺寸根据区域内几何模型的尺寸进行相应设置在变量梯度较大的区域进行网格局部加密网格数量 万划分结果见图 图 网格示意图.兵 器 装 备 工 程 学 报:/./.仿真结果与分析图 为恒温阶段的仿真结果总加热功率为 机箱的温度分布非常均匀稳定在 左右各电路板上元件的稳态温度(取元件中心处温度)在 范围内 稳态情况下电路板的温度均匀性受电路板导热率影响从温度分布图中可以发现热量可以在电路板水平方向进行有效扩散加热膜覆盖区域的温度会略高于未覆盖区域的温度但总体而言各电路板元件的温度均匀性较好:接口板元件温度范围 电源板元件温度范围 主板元件温度范围 图 为升温阶段第 时的仿真结果总加热功率为 经过 的加热机箱温度上升至 左右各电路板上的元件均被加热至 以上 升温过程中电路板的温度均匀性受电路板的热扩散系数影响热扩散系数由导热率、密度和热容共同决定因此升温过程中电路板的温度分布可能会与恒温阶段的温度分布有较大差异 对各电路板元件在第 时的温度(取元件中心处温度)进行了统计:接口板元件温度在 范围内电源板元件温度在 范围内主板元件温度在 范围内 从仿真结果可以看出主板中心区域的元件与边缘区域的元件出现了较大的温差这主要是因为加热膜集中布置在主板中心区域主板在水平方向上的导温能力不足以将中心区域的温度变化及时地扩散至边缘区域图 恒温阶段温度分布图.图 升温阶段温度分布图(第 ).()邓淼森等:低成本航空发动机控制器的低温加热设计及优化.实验验证为验证仿真结果的准确性在低温试验箱内进行了实验 温度传感器为 型热电偶共布置 个测点实验过程中低温实验箱目标温度设置为 测点位置以及实验环境见图 图 实验配置.恒温阶段实验结果在加热膜通电 后测得此时测点温度已达到稳态实验与仿真结果对比如表 所示表 恒温阶段实验与仿真结果 测点实验稳态温升/仿真稳态温升/绝对误差/.主板.电源板.接口板.升温阶段实验结果取加热膜通电后 内的数据每秒采集 次数据实验与仿真温升曲线如图 所示图 升温阶段实验与仿真结果.实验数据和仿真数据的对比结果表明仿真结果能够反映各 及元件的实际温度分布情况仿真模型是可靠的 加热膜几何形状优化为解决主板元件在升温过程中的温度不均匀问题采用遗传算法对主板加热膜的几何形状进行了优化设计优化流程见图 图 优化流程.热网络模型为了提高优化效率对主板温度分布的求解不再沿用前文的全域求解方式而是根据主板在控制器内部的传热情况建立了板级热网络模型 将主板和板上元件离散为图 所示的均匀网格单元所有网格的长宽均为.电路板网格高度取板厚.元件网格高度为元件高度图 热网络模型网格示意图.考虑到热传导是决定主板温度分布均匀性的主要传热方式因此忽略了对流和辐射换热网格节点之间通过热平衡方程建立联系即:()()()兵 器 装 备 工 程 学 报:/./式()中:为节点间的热导 为中心节点周围 个节点的坐标 为节点温度 为时间 为时间步长、为中心节点的坐标 为热源 为网格单元的热容 将所有节点的热平衡方程联立为热平衡方程组使用高斯 赛戴尔迭代法对方程组进行求解即可得到主板的温度分布.遗传算法将加热膜几何形状优化问题处理为一种节点布置问题()即在某网格节点布置加热膜则标记为 不布置加热膜则标记为 节点布置问题在风力发电、无线传感器网络、石油天然气等领域已经得到了广泛研究遗传算法是这类问题最常用的优化方法之一 遗传算法是根据生物进化论和遗传学机理发展而来的一种全局搜索方法它通过对个体适应度的评估来自主积累搜索空间的知识并对搜索过程进行自动调整从而搜寻到问题的最优解 遗传算法最常用的编码形式是二进制编码基本的遗传算子都是根据二进制的特点来对编码串进行操作这使得遗传算法在处理二进制优化问题时有天然的优势.编码方式、适应度函数与约束条件将加热膜布置次序作为编码对象搜索空间为 的二维矩阵编码长度 位加热膜布置区域编码为 未布置区域编码为 编码中的元素与热源矩阵 中的元素存在对应关系一个编码次序对应一个热源矩阵优化目标为主板的温度均匀性适应度函数定义为:()考虑到实际应用中的限制将约束条件定为:)加热膜布置区域必须为连通域 若布置区域为非连通域则需要铺设多张加热膜并分别进行供电实现过程过于复杂)加热膜的覆盖面积与原设计保持一致 加热膜形状重新设计以后板面的元器件也需要重新布局必须给元器件留下足够的布置空间.操作算子标准的遗传算法通过选择操作、交叉操作以及变异操作来产生子代其具体操作策略可以根据优化问题的特点以及约束条件进行改进 各操作算子的执行策略如下:)选择算子采用“轮盘赌”和“最优保留策略”即每一代中适应度最高的个体完整地复制到下一代剩余个体采用“轮盘赌”方式选择)交叉算子执行流程见图 根据交叉概率选出参与交叉操作的个体作为父辈为保证交叉后的子代依旧满足连通域约束条件首先判断配对的父辈是否存在公共点 若不存在公共点则重新进行父代配对若存在公共点则随机选择一个公共点作为交叉点执行交叉操作 对交叉后的个体进行连通性判断若满足连通性则完成交叉操作若不满足连通性则从公共点矩阵中剔除该公共点并重新选择一个公共点进行交叉当公共点全部被剔除后依旧无法获得满足连通性的子代则重新进行父代配对)变异算子执行流程见图 经过交叉操作产生的子代只满足连通性约束条件不一定保证覆盖面积不变因此通过变异操作来对子代个体进行进一步处理 根据编码中“”的个数来判定加热膜覆盖面积是否与原设计相等若大于或小于规定值则根据差值确定变异基因个数若等于规定值则变异的基因个数由设定的变异概率确定 随机选定基因并取反后若变异子代不满足连通性则取消取反操作重新选择其他位的基因进行取反操作直到子代满足连通性图 交叉流程.邓淼森等:低成本航空发动机控制器的低温加热设计及优化图 变异流程.优化结果设置个体数量为 交叉概率为.变异概率为.迭代步数为 最优个体适应度随迭代次数的变化如图 所示 优化至第 步以后迭代曲线不再产生明显变化此时最优个体的适应度值为.加热膜的形状如图 所示 可以发现经过优化后的加热膜在板面分布得更加分散这有利于热量在电路板水平方向上均匀地扩散图 最优个体适应度值迭代曲线.为验证优化方法的有效性将重新设计后的主板加热膜代入前文的全域仿真模型进行求解除主板加热膜形状以外其他设置保持不变得到的结果如图 所示 从图 中可以观察到经过优化后主板在升温过程中的温度均匀性得到了明显改善第 时元件的温度范围由原先的 缩小至 主板在恒温阶段的温度均匀性也有略微提升元件的温度范围由原先的 缩小至 优化前后的仿真结果对比表明优化后的加热膜布局更加合理加热均匀性更加优异优化方法是切实有效的图 加热膜优化前后对比图.()()兵 器 装 备 工 程 学 报:/./图 加热膜优化后主板温度分布图.结论本文中以某航空发动机控制器为研究对象设计了一种基于 加热膜的加热方案采用数值仿真和实物实验方法开展了系统级低温加热研究使用遗传算法对主板加热膜形状进行了优化设计 研究结论如下:)初始设计方案能够满足恒温阶段与升温阶段的温度要求但是主板元件在升温过程中的温度均匀性较差 环境温度为 的情况下:总加热功率 所有元件的稳态温度可以维持在 以上总加热功率 所有元件的温度可以在 内提升至 以上)采用遗传算法对主板加热膜几何形状进行优化后主板元件在升温过程中的温度均匀性有了明显提升 优化前升温阶段第 时主板元件的温度范围为 优化后该温度范围缩小至 对比结果表明优化后的加热膜布局更加合理优化方法是有效的参考文献:段玉杰刘正松高亚辉.元器件在航空发动机控制系统中的应用研究/探索 创新 交流 第六届中国航空学会青年科技论坛文集.沈阳:中国航空学会:./:.:./.:./().:./().:./().:.任鑫谭新建王辉立等.复杂装备系统可靠度和冗余度分配优化分析.四川兵工学报():.():.朱敏波曹艳荣田锦.电子设备可靠性工程.西安:西安电子科技大学出版社.:.张娅妮赵亮孙立萌等.一种低温加热电路及其性能测试.电子机械工程():.():.张先锋王恒远赵政等.自热式印制板加热性能分析与评估.机械与电子():.():.(下转第 页)邓淼森等:低成本航空发动机控制器的低温加热设计及优化 ./.:.:/:.:./.:.:.():.:.():.方明刘小晗付飞蚺.基于注意力的多尺度水下图像增强网络.电子与信息学报():.():.科学编辑 杨杰 博士(武汉理工大学 教授)责任编辑 胡君德(上接第 页)尹可卢圣涛任慧麟.采用 自发热改善电路板低温特性.电子技术与软件工程():.():.聂营才晶晶崔燕香等.平流层电动机控制器热特性仿真分析和实验.航空动力学报():.():.中国人民解放军总装备部.机载电子设备通用指南:/.北京:总装备部军标出版发行部.:/.:.王永康张洁张宇等.电子散热基础教程.北京:电子工业出版社.:.:.():.:.科学编辑 柯宏发 博士(航天工程大学 教授、博导)责任编辑 唐定国冯建新等:一种融合注意力机制的轻量级 水下图像增强模型