基于某型號(hào)風(fēng)洞駐室設(shè)計(jì)及安裝要求

夏青勇

摘 要：本文主要是介紹風(fēng)洞駐室設(shè)計(jì)及分析和駐室安裝，用應(yīng)力有限元分析軟件Abaqus對(duì)整個(gè)風(fēng)洞的駐室結(jié)構(gòu)進(jìn)行了應(yīng)力分析，然后就應(yīng)力分析結(jié)果進(jìn)行了設(shè)計(jì)選型。對(duì)重點(diǎn)部位進(jìn)行安裝介紹和提出安裝精度要求，對(duì)風(fēng)洞制造提供可靠的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：駐室；承力墻；Abaqus；應(yīng)力分析；駐室大門

駐室是風(fēng)洞中進(jìn)行試驗(yàn)的主要部分，由駐室殼體、承力墻、固定及導(dǎo)向支座、電動(dòng)大門、轉(zhuǎn)接段軌道、充氣密封系統(tǒng)、電動(dòng)大門及定位鎖緊結(jié)構(gòu)等構(gòu)成。其中駐室殼體前端通過法蘭與穩(wěn)定段相接，后端與亞聲速擴(kuò)散段焊接，駐室殼體內(nèi)部設(shè)有軌道，供試驗(yàn)段在軌道上行走，并通過駐室內(nèi)部定位鎖緊裝置將各段固定在相應(yīng)位置。

一、駐室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)介紹

駐室殼體屬于壓力容器，因此駐室殼體的設(shè)計(jì)、制造和檢驗(yàn)應(yīng)嚴(yán)格按照壓力容器相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

某型號(hào)風(fēng)洞駐室為一個(gè)變截面圓筒狀結(jié)構(gòu)，其前端面與穩(wěn)定段等直部分外側(cè)通過法蘭連接，截面直徑為9600mm，主要工作部段截面尺寸為12000mm。其中在駐室側(cè)面為了方便試驗(yàn)段進(jìn)出，開設(shè)有尺寸為12800（長(zhǎng)）X7400（高）大開孔；駐室內(nèi)部壓力范圍為：0.07～4atm，工作溫度為15°～60°。

（一）駐室殼體材料

駐室以收縮段入口為起點(diǎn)，以直徑12000mm作為駐室內(nèi)型面尺寸，根據(jù)環(huán)境溫度，選取壁板材料為16MnNR，軌道采用45SiMnP。根據(jù)GB/T150計(jì)算得到未開門壁板厚度為30mm，筋板采用T型環(huán)筋形式，筋板總高1500mm，厚度為30mm，通過有限元計(jì)算，得到整體應(yīng)力為最大值小于60Mpa ，最大變形位于電動(dòng)大門處，小于5mm，滿足工作需要。

（二）駐室大門和小門

駐室門由框架及相應(yīng)鋼板組成，其中鋼板與駐室殼體相接處部分通過充氣密封系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)密封。整個(gè)鋼板厚度為40mm，在與駐室殼體密封處，將寬230mm，厚度為30mm鋼板用螺釘緊固在鋼板上，這樣可以減少整個(gè)鋼板機(jī)械加工面。電動(dòng)門下面安裝有4個(gè)導(dǎo)向輪，其中兩個(gè)為主動(dòng)輪，另外兩個(gè)為從動(dòng)輪。主動(dòng)輪通過電機(jī)來驅(qū)動(dòng)，小門下面采用并行雙軌道行走，軌道選用P15輕軌。

駐室小門在工作狀態(tài)下承受最大壓力為0.4Mpa，通過定位銷將電動(dòng)小門與駐室殼定位鎖緊。通過有限元軟件abaqus對(duì)駐室大門進(jìn)行受力分析，得到駐室小門應(yīng)力最大值小于100Mpa，，最大變形量處于大門中心部位，小于1mm，滿足工作要求。

（三）駐室受力分析

1、CAE計(jì)算方法選用

CAE計(jì)算選用許用應(yīng)力法。

2、CAE計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)選用

《壓力容器》GB150-2011；

《壓力容器分析設(shè)計(jì)》JB4732-1995。

3、分析依據(jù)

風(fēng)洞承壓殼體設(shè)計(jì)要求及方案圖。

4、模型處理

模型計(jì)算采用大型商用有限元軟件Abaqus。本次計(jì)算中，單位系統(tǒng)采用mm-t-s系統(tǒng)。模型共劃分837663個(gè)節(jié)點(diǎn)和834230個(gè)單元，所采用單元：殼單元quad4、三維實(shí)體單元主要為Hex8、一維RBE2。坐標(biāo)系采用笛卡爾坐標(biāo)系，Y軸為豎向，方向向上為正；X軸為軸向，方向向右為正；Z軸與X軸構(gòu)成水平面，方向指向正對(duì)面為正。

（1）結(jié)構(gòu)材料及許用應(yīng)力

風(fēng)洞所用材料為Q345R。材料彈性模量E取201000MPa，泊松比μ取0.3。

（2）模型分析：

風(fēng)洞承受荷載類型：重力載荷、氣動(dòng)荷載（如下表2）。

計(jì)算工況：重力載荷+Ma0.15

分析結(jié)果如下：

駐室最大受力為183MPa，如下圖2駐室受力云圖，主要發(fā)生在駐室大門、大門底部支座支撐及門框與洞體連接處，參考Q345R材料的許用應(yīng)力，最大183MPa<185MPa，滿足強(qiáng)度要求，其他部段也都符合強(qiáng)度要求。

二、駐室安裝介紹

駐室是整個(gè)風(fēng)洞的核心部分，駐室安裝也是整個(gè)風(fēng)的風(fēng)洞的基礎(chǔ)，駐室的前后承力墻是整個(gè)風(fēng)洞的基準(zhǔn)，駐室的安裝首先確保前后承力墻安裝精度到位，符合圖紙要求。駐室承力墻與支座和殼體焊接對(duì)承力墻的精度影響很大。

（一）承力墻安裝

承力墻分為前、后承力墻，前承力墻底部是固定支座，后承力墻是滑動(dòng)支座。前承力墻需要先安裝，用激光跟蹤儀定位前承力墻的標(biāo)高和風(fēng)洞洞體的軸線，并用前承力墻的前后機(jī)加工面作為風(fēng)洞安裝的基準(zhǔn)面，安裝后的承力墻垂直度≤1mm，平面度≤1mm，偏轉(zhuǎn)角度<0.1°。

（二）駐室殼體安裝

駐室殼體總長(zhǎng)59m，包括收縮段殼體和錐段的殼體，安裝過程中把殼體分為10部分安裝組對(duì)焊接，每段殼體的制造橢圓度不大于25mm，直線度允差不大于殼體長(zhǎng)度的0.1%。在前后承力墻都安裝調(diào)整好后，進(jìn)行收縮段殼體的組對(duì)安裝，并與駐室前承力墻殼體焊接，焊接前需要考慮殼體環(huán)焊縫焊接的收縮余量，提前預(yù)留，防止收縮太多，根據(jù)殼體直徑和殼體焊接厚度及現(xiàn)場(chǎng)焊接施工經(jīng)驗(yàn)，標(biāo)高往上調(diào)2mm-3mm，對(duì)筒體的標(biāo)高的影響最小。

（三）駐室大門安裝

駐室大門安裝是洞體安裝的第一大難點(diǎn)，也是整個(gè)風(fēng)洞安裝的一個(gè)大的節(jié)點(diǎn)，駐室的大門完成才標(biāo)志著洞體的封閉。駐室大門長(zhǎng)16m，寬9m，厚1.2m，重達(dá)220噸，這是鋼制風(fēng)洞中最大和最重的大門，沒有可參考的吊裝經(jīng)驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)安裝的空間有限，經(jīng)過計(jì)算需要一臺(tái)500噸履帶吊和現(xiàn)場(chǎng)已有的300噸龍門吊車配合吊裝，才能有較高的安全系數(shù)把駐室大門吊裝到位。經(jīng)討論，用180噸履帶吊車與300噸龍門吊車配合吊裝，在考慮了所有能產(chǎn)生不安全的因素后并做好了防護(hù)工作，成功的把駐室大門吊裝到位。

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