基于TSV軟件的大型低速風(fēng)洞8 m×6 m試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)有限元分析

武亮亮, 李婷婷, 尹仲夏, 梁建亮, 陶 瑜

(中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心, 綿陽(yáng) 621000)

大型低速風(fēng)洞在航空、航天、飛行器、車輛及兵器工程等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用需求[1]。大型低速風(fēng)洞擁有較大的試驗(yàn)段,意味著風(fēng)洞試驗(yàn)可以采用更大的模型尺度對(duì)真實(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬仿真[2-3]。其優(yōu)點(diǎn)在于:能較好地解決雷諾數(shù)模擬問(wèn)題；能更好地模擬被測(cè)試結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié),減少模型尺度效應(yīng),直至進(jìn)行部件的全尺寸試驗(yàn)要求；大尺度模型有利于模型內(nèi)安裝復(fù)雜試驗(yàn)機(jī)構(gòu),滿足某些特種試驗(yàn)技術(shù)的需要等[4]。但風(fēng)洞越大,對(duì)風(fēng)洞結(jié)構(gòu)的安全性、可靠性和建造成本的要求就越高。文獻(xiàn)[5-9]從風(fēng)洞內(nèi)流道得流場(chǎng)進(jìn)行得模擬,對(duì)整個(gè)風(fēng)洞進(jìn)行評(píng)估；Kao等[9]和Bouriga等[11]對(duì)風(fēng)洞流場(chǎng)進(jìn)行仿真,提出了新的計(jì)算模擬方法,都是對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行的分析。而對(duì)單獨(dú)試驗(yàn)段進(jìn)行靜力學(xué)分析,尤其是8 m量級(jí)試驗(yàn)段的研究尚鮮見(jiàn)報(bào)道。因此,對(duì)風(fēng)洞試驗(yàn)段進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度、剛度分析以校核其安全性顯得尤為重要。

8 m×6 m試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)復(fù)雜,運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)較多,長(zhǎng)20 m,寬10 m,高15 m。整體結(jié)構(gòu)由約16 000個(gè)實(shí)體部件構(gòu)成,連接方式各異,載荷種類及組合多而復(fù)雜,因此計(jì)算模擬難度大。針對(duì)風(fēng)洞試驗(yàn)段的模擬研究尚鮮見(jiàn)報(bào)道。為此，以有限元模擬仿真分析軟件TSV-Solutions對(duì)8 m×6 m試驗(yàn)段進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析和模態(tài)分析,根據(jù)結(jié)果提出優(yōu)化改進(jìn)風(fēng)洞試驗(yàn)段的結(jié)構(gòu),并對(duì)優(yōu)化后的結(jié)果進(jìn)行分析。

1 8 m×6 m試驗(yàn)段功能與介紹

1.1 8 m×6 m試驗(yàn)段功能

中國(guó)即將建設(shè)的8 m×6 m 大型低速風(fēng)洞是世界先進(jìn)低速風(fēng)洞,流場(chǎng)品質(zhì)達(dá)到世界一流,空風(fēng)洞最大風(fēng)速為130 m/s。8 m×6 m閉口試驗(yàn)段位于收縮段下游、過(guò)渡段上游,與配套的其他部段一起,使風(fēng)洞具備開(kāi)展運(yùn)輸機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)、直升機(jī)、無(wú)人機(jī)、運(yùn)載火箭等飛行器低速氣動(dòng)特性試驗(yàn)研究,以及開(kāi)展流動(dòng)分離與渦旋運(yùn)動(dòng)、流動(dòng)控制、流固耦合、電磁空氣動(dòng)力學(xué)等試驗(yàn)研究的能力。布局配置如圖1所示。

圖1 8 m×6 m試驗(yàn)段布局Fig.1 Layout of 8 m×6 m test section

通過(guò)不同試驗(yàn)段配置和模型支撐機(jī)構(gòu)的組合,可滿足以下6個(gè)方面對(duì)大型低速風(fēng)洞試驗(yàn)功能的需求:①尾撐試驗(yàn),包括運(yùn)輸機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)、直升機(jī)、無(wú)人機(jī)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷拇蠊ソ窃囼?yàn)；②可以進(jìn)行腹撐試驗(yàn),包括運(yùn)載火箭豎直狀態(tài)氣動(dòng)試驗(yàn)、飛機(jī)模型鏡像風(fēng)擋試驗(yàn)等；③飛機(jī)模型半模試驗(yàn)；④飛行器地面效應(yīng)試驗(yàn)；⑤汽車風(fēng)洞試驗(yàn)；⑥特種試驗(yàn)?zāi)芰?煙流、油流、絲線試驗(yàn),其他二元翼型試驗(yàn)等。

1.2 8 m×6 m試驗(yàn)段的組成

8 m×6 m閉口試驗(yàn)段外廓尺寸為21 m×12 m×17 m(長(zhǎng)×寬×高),質(zhì)量為245 t(含實(shí)壁地板,不含頂壁轉(zhuǎn)盤(pán))。其內(nèi)流道截面為矩形,入口截面尺寸8 m×6 m,出口截面尺寸8.112 m×6 m(寬×高),流道長(zhǎng)21 m,如圖2所示。

圖2 8 m×6 m閉口試驗(yàn)段Fig.2 8 m×6 m test section

2 8 m×6 m試驗(yàn)段有限元模型

采用新一代高速并行CAE仿真系統(tǒng)TSV-Solutions作為有限元模擬仿真分析軟件。

2.1 載荷條件

(1)三維模型試驗(yàn)氣動(dòng)載荷:420 Pa,作用在風(fēng)洞試驗(yàn)段的四壁,即左、右側(cè)壁、頂壁和底壁上,包括試驗(yàn)段的后部。

(2)二維模型試驗(yàn)氣動(dòng)載荷:頂壁和底壁上載荷如圖3所示,左、右側(cè)壁載荷如圖4所示。

圖3 二維模型工況試驗(yàn)段頂(底)壁氣動(dòng)載荷Fig.3 Aerodynamic loads on the top wall (footwall) of the test section under 2D model test conditions

圖4 二維模型工況試驗(yàn)段側(cè)壁氣動(dòng)載荷Fig.4 Aerodynamic loads on the side walls of the test section under 2D model test conditions

(3)整體軸向力載荷(X向):整體軸向力直接施加在風(fēng)洞閉口試驗(yàn)段的四壁,即左右側(cè)壁、頂壁和底壁上,加載方向沿氣流方向,載荷大小為90 kN。

(4)在風(fēng)洞閉口試驗(yàn)段的內(nèi)腔放置試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹行奈恢锰?在該中心位置施加Fz=300 kN和Ty=200 kN·m，其中Fz為Z向整體側(cè)向力載荷,Ty為整體繞Y軸的轉(zhuǎn)矩。

(5)4 m升降地板的自重:升級(jí)地板的自重為80 kN,由4個(gè)頂升機(jī)構(gòu)傳遞到主梁上。

(6)可互換地板的自重:可互換地板自重為360 kN,由8個(gè)頂升機(jī)構(gòu)傳遞到主梁上。

(7)移動(dòng)帶地板的自重:移動(dòng)帶地板自重為550 kN,由8個(gè)頂升機(jī)構(gòu)傳遞到主梁上。

(8)軸向地震載荷(X向):軸向1.6 m/s2。

(9)橫向地震載荷(Z向):軸向1.96 m/s2。

2.2 約束條件

(1)約束前后支腿與地面接觸位置的垂向自由度。

(2)前支腿定位銷僅放開(kāi)氣流方向的自由度,其余方向的自由度全部約束。

(3)約束后支腿定位銷的全部自由度。約束條件如圖5所示。

圖5 約束條件Fig.5 Constraint condition

2.3 試驗(yàn)段的材料屬性

(1)主體結(jié)構(gòu)選用材料:碳鋼；彈性模量: 2.1×1011,N/m2;泊松比: 0.274;密度:7.83×103,kg/m3。

(2)側(cè)壁以及頂壁觀察窗材料:有機(jī)玻璃；彈性模量: 2.77×109,N/m2;泊松比: 0.4;密度:1.19×103,kg/m3。

2.4 網(wǎng)格劃分

所分析的風(fēng)洞試驗(yàn)段整體結(jié)構(gòu)是一個(gè)總體尺寸龐大，由16 000個(gè)部件組成的板梁結(jié)構(gòu)。除有機(jī)玻璃外,絕大部分部件是由各類型號(hào)的角鋼、槽鋼、工字鋼、L形梁、T形梁、箱型梁及其復(fù)合梁和鋼板構(gòu)成。這些部件都具有明顯的薄壁構(gòu)件特性。為確保有限元網(wǎng)格更逼近真實(shí)性,建模時(shí)采取二維板殼單元為主,三維實(shí)體單元為輔的原則,并參照工程實(shí)際需求。8 m×6 m閉口試驗(yàn)段整體有限元分析模型如圖6所示。模型由155×104個(gè)二維殼單元和23×104個(gè)三維四面體單元組成,節(jié)點(diǎn)數(shù)171×104,自由度數(shù)為987×104。

圖6 8 m×6 m試驗(yàn)段有限元網(wǎng)格模型Fig.6 Finite element grid model of 8 m×6 m test section

2.5 計(jì)算工況

通過(guò)組合上述載荷,模擬出風(fēng)洞閉口試驗(yàn)段在日常運(yùn)營(yíng)過(guò)程中可能承受的各種載荷工況,從而對(duì)該風(fēng)洞閉口試驗(yàn)段進(jìn)行完整的有限元仿真分析。

①工況1:安裝多功能轉(zhuǎn)盤(pán)地板,開(kāi)展二維模型試驗(yàn)的工況;②工況2:安裝移動(dòng)帶地板,開(kāi)展三維模型試驗(yàn)的工況;③工況3:非吹風(fēng)試驗(yàn)時(shí),安裝移動(dòng)帶地板過(guò)程中的工況;④工況4:安裝移動(dòng)帶地板,非吹風(fēng)試驗(yàn)時(shí)承擔(dān)軸向地震載荷的工況;⑤工況5:安裝移動(dòng)帶地板,非吹風(fēng)試驗(yàn)時(shí)承擔(dān)橫向地震載荷工況。各工況載荷加載情況如表1所示。

表1 各工況載荷條件加載方案Table 1 Loading scheme under operating conditions

3 結(jié)果與分析

根據(jù)有限元模型進(jìn)行模擬,模擬結(jié)果對(duì)試驗(yàn)段進(jìn)行優(yōu)化后的結(jié)果及分析如下。

3.1 模態(tài)結(jié)果分析

為確保有限元模型的合理性,在計(jì)算前,對(duì)有限元模型做了模態(tài)分析,結(jié)果如表2所示,計(jì)算模態(tài)與原設(shè)計(jì)方案一致(原設(shè)計(jì)方案由加拿大某公司設(shè)計(jì),模態(tài)頻率規(guī)律與計(jì)算一致),驗(yàn)證了本文模型的合理性和可靠性。

表2 模態(tài)計(jì)算結(jié)果Table 2 Model calculation results

模態(tài)分析的作用是檢查結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性。從表2可以看出,8 m×6 m閉口試驗(yàn)段前6階模態(tài)小于10 Hz,振動(dòng)模態(tài)與整體結(jié)構(gòu)有關(guān),需要有效的能量輸入才能激發(fā),由于氣流穩(wěn)定,輸入能量小,整體不存在共振風(fēng)險(xiǎn),單塊壁板框架結(jié)構(gòu)的模態(tài)大于10 Hz,不存在局部共振風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 各工況計(jì)算結(jié)果與分析

工況1為二維模型試驗(yàn)的載荷加載,是試驗(yàn)段載荷最惡劣的情況。強(qiáng)度方面(圖7),總體應(yīng)力水平低于100 MPa,在頂壁轉(zhuǎn)盤(pán)交叉焊縫附近存在應(yīng)力集中,應(yīng)力為95 MPa,其他位置應(yīng)力都比較小,框架所受應(yīng)力為37.3 MPa,試驗(yàn)段主材選用Q235B,其屈服強(qiáng)度約為235 MPa,整體結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)都在2.3以上,滿足設(shè)計(jì)要求。剛度方面(圖8),結(jié)構(gòu)部分的尺寸和間距的設(shè)計(jì)主要是根據(jù)是變形結(jié)果來(lái)決定的。最大的變形發(fā)生在頂壁模塊上,最大位移在上游端側(cè)壁板的外部附近,變形為9.4 mm,轉(zhuǎn)盤(pán)軸承及頂壁轉(zhuǎn)盤(pán)跟隨試驗(yàn)段整體進(jìn)行位移,其轉(zhuǎn)盤(pán)軸承的安裝平面的相對(duì)變形小于2 mm,能夠滿足轉(zhuǎn)盤(pán)軸承的安裝要求,頂壁轉(zhuǎn)盤(pán)位移大的位置已重新進(jìn)行設(shè)計(jì)。除去轉(zhuǎn)盤(pán)模塊后,試驗(yàn)段整體框架位移約4.78 mm,側(cè)壁中有機(jī)玻璃的最大變形位置在中間位置,約5.75 mm,均滿足設(shè)計(jì)要求。試驗(yàn)段整體應(yīng)變非常小,整體試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 工況1應(yīng)力結(jié)果Fig.7 Stress results of operating condition 1

圖8 工況1位移結(jié)果Fig.8 Displacement results of operating condition 1

工況2為三維模型試驗(yàn)的載荷加載,從表3可以看出,強(qiáng)度方面,總體應(yīng)力水平低于100 MPa,在轉(zhuǎn)盤(pán)模塊附近存在應(yīng)力集中,應(yīng)力為76.7 MPa,框架上的應(yīng)力為23.8 MPa,整體結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)都在3以上。剛度方面,最大的變形發(fā)生在頂壁模塊附近,最大位移在上游端側(cè)壁板的外部附近,變形為6.7 mm。此位置靠近中心線,結(jié)構(gòu)變形量越小,整體變形情況滿足設(shè)計(jì)要求。三維模型載荷試驗(yàn)時(shí),結(jié)果顯示是應(yīng)力和變形均滿足設(shè)計(jì)要求的。

表3 試驗(yàn)段主要部件的位移和應(yīng)力結(jié)果Table 3 Stress and displacement results of the test section components

工況3為安裝移動(dòng)帶地板過(guò)程中的工況,強(qiáng)度方面,總體應(yīng)力水平低于100 MPa,在轉(zhuǎn)盤(pán)模塊附近存在應(yīng)力集中,應(yīng)力為75.7 MPa,框架上的應(yīng)力為23 MPa,主材選用Q235B,整體結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)都在3以上,滿足設(shè)計(jì)要求。剛度方面,最大的變形發(fā)生在頂壁模塊附近,最大位移在上游端側(cè)壁板的外部附近,可以通過(guò)安裝時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)盤(pán)軸承的安裝面及安裝墊塊的高度來(lái)減消轉(zhuǎn)盤(pán)模塊的初始變形。其他部件的應(yīng)力與變形均滿足設(shè)計(jì)要求。

工況4、工況5均為地震載荷的工況,結(jié)果如表3所示,試驗(yàn)段整體應(yīng)力較小,最大為100 MPa,主要在定位銷的位置,主材選用Q235B,滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

通過(guò)有限元分析,提出優(yōu)化改進(jìn)的風(fēng)洞試驗(yàn)段結(jié)構(gòu),并對(duì)優(yōu)化后的結(jié)果進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論。

(1)優(yōu)化后的大型低速風(fēng)洞8 m×6 m試驗(yàn)段整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度在各種載荷工況下都能滿足工程要求。

(2)有限元模擬結(jié)果對(duì)8 m×6 m試驗(yàn)段部件設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有重要意義。

(3)對(duì)風(fēng)洞試驗(yàn)段的模擬計(jì)算方法可以應(yīng)用于其他新型風(fēng)洞試驗(yàn)段的設(shè)計(jì),用于研究風(fēng)洞試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度分析。