大型屏蔽網(wǎng)載荷計算方法研究

孫 云

（海軍駐上海滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司軍事代表室 上海200129）

大型屏蔽網(wǎng)載荷計算方法研究

孫 云

（海軍駐上海滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司軍事代表室 上海200129）

通過大型屏蔽網(wǎng)載荷特點(diǎn)分析，提出并采用了經(jīng)驗(yàn)公式、FLUENT、COSMOSWorks等方法，對屏蔽網(wǎng)的載荷進(jìn)行了計算和比較，并根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行校核，提出了大型屏蔽網(wǎng)載荷計算的方法。

艦艇；屏蔽網(wǎng)；仿真計算；設(shè)計

引 言

隨著水面艦艇雷達(dá)波隱身水平的不斷提高，水面艦艇上層建筑的凹腔［1］散射成為制約其隱身水平進(jìn)一步提高的瓶頸問題。上層建筑的凹腔主要包括舷窗、舷側(cè)百葉窗、舷側(cè)開口、舷側(cè)小艇部位和舷側(cè)舷梯部位大開口等，這類凹腔可以通過采用與船體同樣傾斜角度的屏蔽裝置等隱身措施予以解決。金屬屏蔽網(wǎng)由于具有透視、透氣、質(zhì)量輕以及價格低廉等特點(diǎn)，是其中最常用屏蔽裝置［2］。

金屬屏蔽網(wǎng)表面主要承受艦艇在航行時的海上風(fēng)載。為達(dá)到良好雷達(dá)波隱身效果，屏蔽網(wǎng)在海風(fēng)作用下不僅不能出現(xiàn)大的變形，而且還要有抵抗海風(fēng)的吹襲而不產(chǎn)生破壞的性能。由于金屬屏蔽網(wǎng)表面通常比較“柔軟”，為防止金屬屏蔽網(wǎng)變形和撕裂，必須進(jìn)行模態(tài)分析和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計［3］，而載荷計算是上述工作的基礎(chǔ)。本文通過對設(shè)定參數(shù)的屏蔽網(wǎng)風(fēng)載計算方法的研究，比較幾種載荷計算方法，提出了一種計算并確定屏蔽網(wǎng)風(fēng)載方法。

1 計算方法研究

本文將采用經(jīng)驗(yàn)公式、FLUENT軟件計算以及COSMOS Works軟件計算等方法［4］，進(jìn)行屏蔽網(wǎng)風(fēng)載計算研究。

1.1 計算條件

計算條件見下頁表1。

表1 計算條件

1.2 計算模型

假設(shè)金屬網(wǎng)的后面沒有腔體，是開敞的。當(dāng)具有一定速度的氣流作用在金屬網(wǎng)之上時，其所受的氣動載荷最大。此時如果金屬網(wǎng)發(fā)生塑性變形或破壞，就無法恢復(fù)原狀，出現(xiàn)損壞。因此，考慮金屬網(wǎng)單獨(dú)承受的氣動載荷，是原計算模型有可能遭受的最大載荷情況。

考慮最危險的受載情況，采用的簡化計算模型是對一面單獨(dú)的金屬網(wǎng)在恒定的風(fēng)速下的氣動載荷計算，這樣的簡化對于金屬網(wǎng)來說是比較安全的。

計算中，采用載荷系數(shù)描述屏蔽網(wǎng)網(wǎng)面的載荷，載荷系數(shù)定義如下：

式中：D為網(wǎng)的載荷（阻力），N；

q為速壓，N/m2；

S為網(wǎng)的面積，m2。

1.3 經(jīng)驗(yàn)公式計算法

根據(jù)各種試驗(yàn)得到網(wǎng)的載荷系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式為：

d為網(wǎng)絲直徑，m；

l為網(wǎng)格尺寸，m；

V為風(fēng)速，m/s；

v為空氣粘性系數(shù)，海平面時

v =1.460 7×10-5m2/s。

計算結(jié)果如表2所示。

表2 經(jīng)驗(yàn)公式計算結(jié)果

1.4 利用FLUENT軟件計算

利用FLUENT軟件，采用層流（Laminar）模型［5］，可以得到網(wǎng)的空氣動力載荷，以網(wǎng)的平面面積為參考，計算得到網(wǎng)的載荷系數(shù)。

1.4.1 建立模型

流體計算對于網(wǎng)格的要求一般是：連續(xù)性、正交性、均勻性。由于實(shí)際模型尺寸大、單元多，為了保證FLUENT軟件能夠完成計算工作，計算中作了兩點(diǎn)假設(shè)：

（1）為簡化問題，用方形截面細(xì)絲代替圓形截面細(xì)絲。對于具有相同截面尺寸的方形截面絲和圓形截面絲進(jìn)行計算表明，由于截面尺寸極小，兩者的阻力系數(shù)差別不大。

（2）受到硬件的限制，不可能建立全尺寸模型，只能截取局部小面積網(wǎng)格。因?yàn)榇蟪叽缇W(wǎng)的各個網(wǎng)格具有重復(fù)性的特點(diǎn)，因而小面積上的載荷系數(shù)具有典型性。本計算采用8mm×8mm尺寸的網(wǎng)格單元總數(shù)就已達(dá)到379 552個，圖1所示為局部計算網(wǎng)格單元。

圖1 模型及氣流網(wǎng)格（一半）

1.4.2 計算結(jié)果分析

圖2是8mm×8mm單元的風(fēng)速在10 m/s情況下的速度云圖，不考慮邊緣效應(yīng)，每一細(xì)絲周圍的流場是相同的，這說明小面積上的氣動載荷分布具有典型性，假設(shè)是正確的。表3為載荷系數(shù)計算結(jié)果。

圖2 8mm×8mm單元的10 m/s情況下的速度云圖

表3 8mm×8mm尺寸網(wǎng)的載荷系數(shù)

1.5 利用COSMOSWorks軟件計算

如圖3所示，在SolidWork中，制作了8mm× 8mm尺寸的圓形和方形截面的金屬絲網(wǎng)模型（規(guī)格0.2mm）。該模型能夠反映真實(shí)金屬絲網(wǎng)的情況，然后將SolidWork構(gòu)造的模型轉(zhuǎn)給COSMOSWorks軟件，再進(jìn)行流體計算。

圖3 截面為圓形的金屬絲網(wǎng)

COSMOSWorks是SolidWork的一個子模塊，是有限元分析市場上較成熟的分析產(chǎn)品之一，其較強(qiáng)的分析能力可解決許多工程界的問題［6］，文中將其應(yīng)用于分析金屬網(wǎng)在氣流中的流場特性，如圖4所示。貼體網(wǎng)格很密，可以較好地描述網(wǎng)周圍的流場。

圖4 圓形截面金屬絲網(wǎng)的貼體有限元網(wǎng)格

本文分別計算了風(fēng)速24 m/s、52 m/s時的速度流場和載荷系數(shù)。圖5是COSMOSFloworks計算出的速度流場，與方截面情況流場很相似。

圖5 風(fēng)速24 m/s情況下的速度云圖

計算結(jié)果如表4所示?？梢姡瑢?shí)際圓截面的金屬網(wǎng)阻力系數(shù)比假設(shè)的方截面情況要小。

表4 圓截面與方截面金屬絲網(wǎng)載荷系數(shù)比較

2 計算結(jié)果驗(yàn)證及分析

為驗(yàn)證屏蔽網(wǎng)的載荷計算，進(jìn)行了屏蔽網(wǎng)風(fēng)載風(fēng)洞試驗(yàn)。試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D6所示，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

圖6 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

表5 屏蔽網(wǎng)風(fēng)載風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果

將風(fēng)載風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果用各種方法計算的結(jié)果進(jìn)行對比，如表6所示。

表6 試驗(yàn)結(jié)果與各種方法計算的載荷系數(shù)對比

根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果，金屬網(wǎng)的載荷系數(shù)比經(jīng)驗(yàn)公式結(jié)果大，而比FLUENT計算結(jié)果小，即風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果介于經(jīng)驗(yàn)公式與FLUENT計算的結(jié)果之間。而COSMOSWorks的計算結(jié)果更接近于試驗(yàn)結(jié)果，但是該軟件不是計算空氣動力學(xué)的專門軟件，其計算結(jié)果只能作為參考。

風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果隨風(fēng)速的變化不大，這種趨勢與FLUENT計算結(jié)果的趨勢一致。另外，由于FLUENT的計算結(jié)果一般比試驗(yàn)結(jié)果要大一些，因此，取FLUENT計算的載荷系數(shù)作為強(qiáng)度計算的載荷依據(jù)比較合適，可以確保實(shí)際的載荷系數(shù)不會比它大，這是一種偏保守的取值。

3 結(jié) 論

本文通過對大型屏蔽網(wǎng)載荷特點(diǎn)分析，分別采用了經(jīng)驗(yàn)公式、FLUENT軟件計算以及COSMOSWorks軟件計算等方法，對屏蔽網(wǎng)受不同垂直風(fēng)速作用的載荷進(jìn)行了計算和比較，并通過風(fēng)洞試驗(yàn)對各種計算方法進(jìn)行了驗(yàn)證和校核。根據(jù)上述研究成果研制的屏蔽網(wǎng)已成功應(yīng)用于海軍建造的多艘艦船，實(shí)船在高海況下屏蔽網(wǎng)使用未發(fā)生故障，表明采用FLUENT軟件計算的載荷系數(shù)作為強(qiáng)度計算的載荷依據(jù)比較合適，有一定的設(shè)計裕度。

［1］ 王世安．水面艦船隱身技術(shù)的發(fā)展動向和分析［J］．艦船電子工程，2014（3）：16-20.

［2］ 魏曉慶. 艦船雷達(dá)波隱身技術(shù)的現(xiàn)狀和展望［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2002（3）：38-41.

［3］ 候悅民，季林紅. 利用有限元超單元進(jìn)行大型金屬網(wǎng)動特性分析［J］.機(jī)械設(shè)計與制造，2008（2）：61-62.

［4］ 陶益，趙齊民，莊蕊.淺談頻率選擇表面技術(shù)在艦船設(shè)計中的應(yīng)用［J］.船舶，2013（3）：26-28.

［5］ 趙妍. 應(yīng)用FLUENT對管路細(xì)部流場的數(shù)值模擬［D］.大連：大連理工大學(xué)，2004.

［6］ 吳繼飛，陶洋. 后緣修型對空腔流場特性影響分析［J］.空氣動力學(xué)學(xué)報，2010（2）：197-202.

Calculation study of loads on large scale undetectable net

SUN Yun
(Military Representatives Offi ce at Hudong-Zhonghua Shipbuilding (Group) Co., Ltd., Shanghai 200129, China)

Through analyzing the characteristics of the load on large scale undetectable net, this paper puts forward the methods of empirical equation, FLUENT, COSMOSWorks, etc. It carries out the calculation and comparison of the loads on the undetectable net, which has been verifi ed according to the wind tunnel test results, and proposes the calculation method for the loads on the large scale undetectable net.

warship; undetectable net; simulated calculation; design

U647.7+04

A

1001-9855（2014）05-0031-04

2014-04-05 ；

2014-05-08

孫 云（1972-），男，工程師，研究方向：船舶設(shè)計與監(jiān)造 。