高溫燃?xì)饬鞒曀贌峤Y(jié)構(gòu)風(fēng)洞擴(kuò)壓器強(qiáng)度及穩(wěn)定性校核分析

嚴(yán)山　林正東　王毅　熊杰

【摘 要】擴(kuò)壓器是高溫燃?xì)饬魉俪曀贌峤Y(jié)構(gòu)風(fēng)洞試驗(yàn)裝備的重要組成部件，本文根據(jù)航空風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)要求的有關(guān)規(guī)定，基于ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言，模擬仿真了擴(kuò)壓器三大組成部件收縮段、等直段、擴(kuò)張段同時(shí)在真空、大氣壓和內(nèi)腔水壓三種載荷環(huán)境下的承載情況，按工作狀態(tài)和試驗(yàn)狀態(tài)兩種工況進(jìn)行了力學(xué)分析，獲得了擴(kuò)壓器三大組成部件的變形、應(yīng)力等性能參數(shù)，計(jì)算結(jié)果表明擴(kuò)壓器的結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度、剛度要求，安全使用系數(shù)ns>3，整體性能較好，為后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】擴(kuò)壓器；夾層水冷；有限元法；強(qiáng)度穩(wěn)定性分析

0 引言

高溫燃?xì)饬鞒曀贌峤Y(jié)構(gòu)風(fēng)洞主要包括主加熱器、試驗(yàn)段、擴(kuò)壓器等組成，其工作原理為主加熱器通過(guò)燃燒產(chǎn)生超聲速燃?xì)?，在試?yàn)段內(nèi)形成低壓試驗(yàn)環(huán)境對(duì)模型進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)束后的燃?xì)饨?jīng)過(guò)擴(kuò)壓器減速增壓排入大氣。航空風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了專用設(shè)備的使用技術(shù)條件和試驗(yàn)方法。對(duì)于擴(kuò)壓器的強(qiáng)度校核一般采用兩端封堵抽真空，內(nèi)腔充水至水壓達(dá)到1MPa，靜置觀察內(nèi)外型腔不應(yīng)出現(xiàn)影響正常使用的永久變形。為了節(jié)約試驗(yàn)成本，提高設(shè)計(jì)的可靠性，采用有限元方法對(duì)擴(kuò)壓器進(jìn)行靜態(tài)模擬分析可以在設(shè)計(jì)階段給后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)。

1 擴(kuò)壓器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

擴(kuò)壓器安裝在試驗(yàn)段中，由收縮段、等直段、擴(kuò)張段三部分組成，前端連接試驗(yàn)段波紋管、后端連接冷卻器。前端收縮段、可更換段全部位于試驗(yàn)段內(nèi)，第一級(jí)等直段部分位于試驗(yàn)段內(nèi)（如圖1所示），后端與冷卻器法蘭對(duì)接。擴(kuò)壓器各部段為錐形或圓柱形夾層水冷結(jié)構(gòu)，內(nèi)外壁之間為縱向水道（如圖2所示）。

2 材料屬性定義

在進(jìn)行有限元分析前首先要定義實(shí)體模型的實(shí)常數(shù)和材料屬性。擴(kuò)壓器全部段均采用1Cr18Ni9Ti不銹鋼中厚板焊接，壓力容器用1Cr18Ni9Ti不銹鋼厚板材料性能如表1所示：

3 擴(kuò)壓器邊界條件

擴(kuò)壓器收縮段、可更換段均位于試驗(yàn)段內(nèi)，風(fēng)洞工作時(shí)試驗(yàn)段基本為真空環(huán)境，收縮段內(nèi)外筒壁均是承受真空負(fù)壓。工作時(shí)夾層環(huán)形水道冷卻水壓力為1MPa。等直段及擴(kuò)張段1、擴(kuò)張段2均位于試驗(yàn)段外，工作時(shí)只有內(nèi)筒壁承受真空負(fù)壓，外筒壁位于大氣環(huán)境中，夾層環(huán)形水道冷卻水壓力為1MPa。擴(kuò)壓器各部段水壓強(qiáng)度試驗(yàn)壓力按壓力容器標(biāo)準(zhǔn)取1.25倍設(shè)計(jì)壓力（即1.25MPa內(nèi)壓）。擴(kuò)壓器各部段徑向受支撐系統(tǒng)約束，沿軸向可以自由滑動(dòng)。

4 三大部段有限元分析

4.1 收縮段

通過(guò)分析得知，工作狀態(tài)下收縮段的最大應(yīng)力在直段水道隔片開(kāi)口附近，最大變形在水道隔片開(kāi)口處的內(nèi)筒上；試驗(yàn)狀態(tài)下收縮段的最大應(yīng)力在直段水道隔片開(kāi)口處附近的外筒上，最大變形在在直段水道隔片開(kāi)口處附近的內(nèi)筒上。安全系數(shù)>3，滿足使用要求。

4.2 等直段

通過(guò)分析得知，工作狀態(tài)下等直段的最大應(yīng)力在水道筋開(kāi)口附近，最大變形在內(nèi)筒壁水道加強(qiáng)筋開(kāi)口附近；試驗(yàn)狀態(tài)下等直段的最大應(yīng)力在水道筋開(kāi)口附近，最大變形在在內(nèi)筒壁水道筋開(kāi)口附近。安全系數(shù)>3，滿足使用要求。

4.3 擴(kuò)張段

通過(guò)分析得知，工作狀態(tài)下擴(kuò)張段的最大應(yīng)力在靠錐面大端附近水道隔片開(kāi)口附近，最大變形在靠錐面大端附近水道隔片開(kāi)口附近的內(nèi)筒壁；試驗(yàn)狀態(tài)下擴(kuò)張段的最大應(yīng)力在靠錐面大端附近水道隔片開(kāi)口附近，最大變形在靠錐面大端附近水道隔片開(kāi)口附近。安全系數(shù)>3，滿足使用要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文利用ANSYS有限元分析軟件對(duì)高溫燃?xì)饬鞒曀贌峤Y(jié)構(gòu)風(fēng)洞擴(kuò)壓器在工作狀態(tài)和試驗(yàn)狀態(tài)兩種工況下進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及穩(wěn)定性校核分析，由計(jì)算結(jié)果可知，擴(kuò)壓器各部段計(jì)算安全系數(shù)>3，，因此，綜合考慮溫度因素的影響，擴(kuò)壓器各部段結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度及穩(wěn)定性要求。

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[責(zé)任編輯：朱麗娜]