超大型連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞地震安全分析

宿?；?錢(qián)才富

摘要： 采用有限元法對(duì)某超大型連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞進(jìn)行地震安全分析。使用ANSYS建立整體結(jié)構(gòu)模型并施加實(shí)際約束，為確保計(jì)算精度和計(jì)算效率，采用實(shí)體殼單元SOLIDSHELL進(jìn)行網(wǎng)格劃分；依據(jù)JB/T 4710—2005《鋼制塔式容器》和仿真模態(tài)分析進(jìn)行水平地震力計(jì)算；基于JB 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)風(fēng)洞進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)定。計(jì)算結(jié)果表明：在地震載荷作用下，該風(fēng)洞主體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全裕量較大，其結(jié)構(gòu)形式合理可靠。

關(guān)鍵詞： 跨聲速風(fēng)洞； 地震安全； 強(qiáng)度評(píng)定； 有限元

中圖分類號(hào)： V211.753 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

Earthquake safety analysis of super-large continuous transonic-speed wind tunnel

SU Xihui， QIAN Caifu

（School of Mechanical and Electrical Engineering， Beijing University of Chemical Technology， Beijing 100029， China）

Abstract： The finite element method is performed on earthquake safety analysis of a super-large continuous transonic-speed wind tunnel.The structure model is built and the real constrains are applied by ANSYS.To ensure computational efficiency and accuracy， the SOLIDSHELL element is employed to mesh the model. The earthquake horizontal force is calculated according to JB/T 4710—2005 Steel vertical vessels supported by skirt and simulation modal analysis. The strength assessment of the tunnel is completed based on JB 4732—1995 Steel pressure vessels—design by analysis. The results show that the wind tunnel structure has large safety margin under seismic load and the structure is reasonable and reliable.

Key words： transonic-speed wind tunnel； earthquake safety； strength assessment； finite element

0 引 言

風(fēng)洞主體結(jié)構(gòu)是復(fù)雜的非常規(guī)壓力容器，一般的常規(guī)設(shè)計(jì)不夠精細(xì)，更無(wú)法進(jìn)行疲勞分析，因此對(duì)風(fēng)洞結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值分析是風(fēng)洞研究或工程設(shè)計(jì)中常見(jiàn)的方法。解亞軍等[1]和董國(guó)慶等[2]分別對(duì)NF-6高速增壓和FL-9低速增壓風(fēng)洞的主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，得出其應(yīng)力、應(yīng)變和模態(tài)分析結(jié)果，通過(guò)與水壓和氣壓試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)其應(yīng)力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值較為一致，同時(shí)模態(tài)分析也可以為風(fēng)洞安全運(yùn)行提供參考。陳萬(wàn)華等[3]以某風(fēng)洞主體結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，介紹在有限元分析過(guò)程中的模型簡(jiǎn)化原則和網(wǎng)格劃分方法，得到靜力學(xué)分析和模態(tài)分析結(jié)果，驗(yàn)證風(fēng)洞主體結(jié)構(gòu)滿足要求。馮立靜等[4]基于PATRAN/MSC NASTRAN提出一種對(duì)收縮段進(jìn)行動(dòng)應(yīng)力分析的方法，檢驗(yàn)?zāi)辰Y(jié)冰風(fēng)洞承受空氣動(dòng)力作用的能力。劉慧芳[5]基于Abaqus對(duì)某風(fēng)洞動(dòng)力段結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算和分析，得出影響模型結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的關(guān)鍵因素，為動(dòng)力段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。陳振華等[6]則應(yīng)用MSC NASTRAN對(duì)風(fēng)洞大迎角機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)形式合理可靠。王元興等[7]以FL-26風(fēng)洞擴(kuò)散段為研究對(duì)象，通過(guò)有限元驗(yàn)證計(jì)算與分析，找到設(shè)備產(chǎn)生裂紋的原因并確定裂紋設(shè)備的改造方案。劉俊等[8]針對(duì)FL-24風(fēng)洞整流錐多處焊縫開(kāi)裂問(wèn)題，通過(guò)有限元分析，增加內(nèi)外筋板，提出整流錐結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方案。研究表明，通過(guò)合理地選取單元類型、進(jìn)行模型簡(jiǎn)化、處理邊界約束等，得到的風(fēng)洞有限元計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值較為一致，從而保證進(jìn)一步對(duì)風(fēng)洞進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的可靠性。

鑒于風(fēng)洞主體結(jié)構(gòu)是一個(gè)大型復(fù)雜的非常規(guī)壓力容器，采用有限元法對(duì)某超大型連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞進(jìn)行地震安全分析，并依據(jù)JB 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[9]進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)定。

1 風(fēng)洞結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)參數(shù)

該超大型連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞主體結(jié)構(gòu)由駐室段、再入段、亞擴(kuò)散段、第一拐角段-第二拐角段、低速擴(kuò)散段、換熱器段、第三拐角段-第四拐角段、穩(wěn)定段組成。駐室段用于對(duì)模型進(jìn)行測(cè)試；駐室段下游為再入段，作用是將氣流引向風(fēng)洞外或?qū)Щ氐斤L(fēng)洞入口；亞擴(kuò)散段的作用是降低流速、減少能量損失；駐室段上游為穩(wěn)定段，作用是提高氣流勻直度、降低湍流度。風(fēng)洞主體總長(zhǎng)度約為103.8 m，寬度約為43 m，駐室段直徑為12 m。風(fēng)洞整體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

2 有限元分析模型建立

2.1 有限元模型

采用ANSYS進(jìn)行壓力容器分析設(shè)計(jì)。在地震分析中，為計(jì)算出結(jié)構(gòu)的自振周期，必須建立整體模型并施加與實(shí)際約束一致的邊界條件。由于風(fēng)洞尺寸大且為板殼結(jié)構(gòu)，為提高計(jì)算精度和計(jì)算效率，采用SOLIDSHELL實(shí)體殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。風(fēng)洞幾何模型見(jiàn)圖2，有限元模型見(jiàn)圖3。endprint

2.2 約束

根據(jù)風(fēng)洞的實(shí)際結(jié)構(gòu)和約束情況，對(duì)風(fēng)洞有限元模型施加如下約束條件：在駐室下面前承力墻下端設(shè)置固定支座；在后承力墻下端、第二拐角段下端、第四拐角段下端和低速擴(kuò)散段小端設(shè)置沿軸向的單導(dǎo)向支座；其他支座為滑動(dòng)支座。

2.3 載荷

參考JB/T 4710—2005《鋼制塔式容器》[10]計(jì)算水平地震力為

式中：α1為對(duì)應(yīng)于塔式容器基本振型自振周期T1的地震影響因數(shù)（見(jiàn)圖4）；m為設(shè)備集中質(zhì)量，kg；g為重力加速度，取9.81 m/s2。

對(duì)風(fēng)洞整體模型進(jìn)行模態(tài)分析后得到結(jié)構(gòu)的基本振型自振周期T1=0.467 s，大于風(fēng)洞使用地的地震特征周期Tg=0.350 s。確定地震影響因數(shù)α1的計(jì)算公式為

式中：αmax為地震影響因數(shù)的最大值，依據(jù)該風(fēng)洞所在地的抗震設(shè)防烈度為7度、設(shè)計(jì)基本加速度為0.1g，取αmax=0.08；η2為阻尼調(diào)整因數(shù)，γ為衰減因數(shù)，計(jì)算公式為

該設(shè)備的水平地震力F1=0.062mg，則風(fēng)洞結(jié)構(gòu)的地震水平加速度大小為0.062g。出于保守考慮，選擇在剛度較小的垂直于駐室軸線的方向施加水平加速度，在各部段內(nèi)施加大小為0.4 MPa的設(shè)計(jì)壓力。

3 有限元分析結(jié)果和強(qiáng)度評(píng)定

風(fēng)洞整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力強(qiáng)度分布見(jiàn)圖5。

風(fēng)洞是承受壓力作用的密閉結(jié)構(gòu)，其本質(zhì)上是壓力容器，而且由于體積很大，屬于第Ⅲ類壓力容器。關(guān)于壓力容器的設(shè)計(jì)，目前有常規(guī)設(shè)計(jì)和分析設(shè)計(jì)2種方法，本文所涉及的風(fēng)洞還要承受外壓作用，外加強(qiáng)筋很多，無(wú)法進(jìn)行常規(guī)強(qiáng)度計(jì)算，故依據(jù)JB 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)風(fēng)洞進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)定。

JB 4732—1995依據(jù)應(yīng)力對(duì)容器強(qiáng)度失效所起作用的大小，按照等強(qiáng)度設(shè)計(jì)原則對(duì)容器中的應(yīng)力進(jìn)行分類，具體判斷依據(jù)為：（1）應(yīng)力產(chǎn)生的原因；（2）應(yīng)力的作用區(qū)域和分布形式。應(yīng)力分為一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力，其中一次應(yīng)力又分為一次總體薄膜應(yīng)力、一次局部薄膜應(yīng)力和一次彎曲應(yīng)力。

按照該標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)度評(píng)定采用應(yīng)力強(qiáng)度作為參量，應(yīng)力強(qiáng)度規(guī)定為最大剪應(yīng)力的2倍。標(biāo)準(zhǔn)將應(yīng)力強(qiáng)度分為5類，即一次總體薄膜應(yīng)力強(qiáng)度SI，一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度SII，一次薄膜應(yīng)力加一次彎曲應(yīng)力的應(yīng)力強(qiáng)度SIII，一次薄膜應(yīng)力加一次彎曲應(yīng)力以及二次應(yīng)力的應(yīng)力強(qiáng)度SIV和峰值應(yīng)力強(qiáng)度SV。

為求取應(yīng)力強(qiáng)度值SI～SV，根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，在構(gòu)件不同部位，過(guò)危險(xiǎn)應(yīng)力點(diǎn)沿厚度作路徑，進(jìn)行應(yīng)力線性化處理，得到薄膜應(yīng)力強(qiáng)度、薄膜應(yīng)力加彎曲應(yīng)力強(qiáng)度及總應(yīng)力強(qiáng)度，然后進(jìn)行應(yīng)力分類并得到SI～SV。對(duì)不同的應(yīng)力強(qiáng)度給予不同的限制，進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)定。

該風(fēng)洞結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，要選取路徑并進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)定的部位很多，包括遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)不連續(xù)部位的整體部位和結(jié)構(gòu)不連續(xù)部位。本文只對(duì)換熱器段大開(kāi)孔處強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)定，該部位應(yīng)力強(qiáng)度分布見(jiàn)圖6，大開(kāi)孔連接處的路徑見(jiàn)圖7，應(yīng)力強(qiáng)度及評(píng)定結(jié)果見(jiàn)表2。換熱器大開(kāi)孔結(jié)構(gòu)處、開(kāi)孔與筒體連接區(qū)域?qū)儆诮Y(jié)構(gòu)不連續(xù)部位，因此分別沿筒體厚度方向和接管厚度方向作應(yīng)力線性化處理（分別對(duì)應(yīng)圖7中A路徑和B路徑）：此時(shí)薄膜應(yīng)力強(qiáng)度為SⅡ；一次應(yīng)力強(qiáng)度加二次應(yīng)力強(qiáng)度之和即為SⅣ；開(kāi)孔接管高度中間處沿接管厚度方向（圖7中C路徑）劃分為SⅠ和SⅣ。

從表2可以看出，該連接部位強(qiáng)度有較大的安全裕量，事實(shí)上風(fēng)洞其他部位也是如此。需要說(shuō)明的是，該風(fēng)洞還承受短期外壓載荷，也應(yīng)進(jìn)行疲勞分析，但本文未作介紹。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)某連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞進(jìn)行地震安全分析，建立整體模型并施加與實(shí)際約束一致的邊界條件計(jì)算結(jié)構(gòu)的自振周期。由于風(fēng)洞尺寸很大且為板殼結(jié)構(gòu)，若采用常見(jiàn)的實(shí)體單元?jiǎng)t會(huì)因單元和節(jié)點(diǎn)太多而無(wú)法計(jì)算。為此，采用SOLIDSHELL實(shí)體殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分和計(jì)算，保證計(jì)算精度和計(jì)算效率。同時(shí)，鑒于風(fēng)洞承受內(nèi)壓作用，屬于第Ⅲ類壓力容器，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無(wú)法進(jìn)行常規(guī)設(shè)計(jì)，因此依據(jù)JB 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，最終完成該超大型連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞的地震安全分析，得到委托單位的認(rèn)可。目前該風(fēng)洞已在建設(shè)之中。

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