方艙抗風(fēng)性能模擬載荷試驗(yàn)和仿真方法研究

錢思宇，湯俊，程德鵬，郭武生

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所華東分所，蘇州 215129；2.南京賽寶工業(yè)技術(shù)研究院有限公司，南京 210031）

引言

隨著方艙裝備的發(fā)展和多場(chǎng)景應(yīng)用需求，其使用環(huán)境日趨復(fù)雜多變，抗風(fēng)性能是其一項(xiàng)基本指標(biāo)，要求在規(guī)定的風(fēng)力條件下能正常展開(kāi)作業(yè)。該類裝備以擴(kuò)展方艙最為典型，對(duì)其進(jìn)行抗風(fēng)性能試驗(yàn)必不可少?？癸L(fēng)性能試驗(yàn)是考核產(chǎn)品在實(shí)驗(yàn)室模擬風(fēng)載荷條件下對(duì)被試品施加均勻風(fēng)荷載，對(duì)被試品的變形情況及連接固定等整體進(jìn)行評(píng)估，分為靜態(tài)風(fēng)荷載與動(dòng)態(tài)風(fēng)荷載兩種方式。但國(guó)內(nèi)大型風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室極為稀缺，在試驗(yàn)資源有限的情況下，采用模擬載荷的方式開(kāi)展試驗(yàn)和仿真具有較強(qiáng)的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性。本文探討的是方艙抗風(fēng)性能模擬載荷試驗(yàn)和仿真方法。

1 試驗(yàn)方法

1.1 風(fēng)洞試驗(yàn)

風(fēng)洞是空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)的常用設(shè)備，在管道系統(tǒng)內(nèi)使用電機(jī)裝置產(chǎn)生穩(wěn)定氣流，模擬實(shí)物在大氣中靜態(tài)使用、動(dòng)態(tài)行駛或空中飛行的試驗(yàn)裝置[1]。

風(fēng)洞試驗(yàn)是將裝備模型或?qū)嵨锕潭ㄔ陲L(fēng)洞設(shè)備地面，制造一定強(qiáng)度的氣流通過(guò)，以此模擬自然環(huán)境復(fù)雜的氣流狀態(tài)，獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)[2]。這是現(xiàn)代地面、空中、海上等裝備研制定型和生產(chǎn)的關(guān)鍵試驗(yàn)項(xiàng)目。目前我國(guó)最大的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室位于川西山區(qū)的中國(guó)空氣動(dòng)力發(fā)展與研究中心，另外還有幾所高校建設(shè)有風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室[3]?？偟膩?lái)講，國(guó)內(nèi)風(fēng)洞試驗(yàn)資源較為稀缺，試驗(yàn)費(fèi)用、人力、運(yùn)輸?shù)染C合成本耗費(fèi)較高。

1.2 模擬載荷試驗(yàn)

隨著方艙應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，對(duì)抗風(fēng)性能試驗(yàn)的需求量日益增長(zhǎng)，面對(duì)風(fēng)洞試驗(yàn)資源稀缺和試驗(yàn)成本較大的矛盾，一種有效的模擬載荷抗風(fēng)性能試驗(yàn)方法更具有實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性。

模擬載荷試驗(yàn)的試驗(yàn)程序是[4]：

1）試驗(yàn)前準(zhǔn)備

試驗(yàn)前準(zhǔn)備分為試驗(yàn)場(chǎng)地環(huán)境和方艙被試品兩個(gè)方面，試驗(yàn)場(chǎng)地地面應(yīng)為平坦的混凝土地面，試驗(yàn)場(chǎng)地的風(fēng)速不應(yīng)大于3 m/s；方艙被試品按實(shí)際工作狀態(tài)放置于試驗(yàn)場(chǎng)地，調(diào)至水平狀態(tài)，并按其技術(shù)文件的規(guī)定，全部上裝設(shè)備和附屬設(shè)備安裝齊全，或均勻布置裝載至最大總質(zhì)量。

2）初始檢查

試驗(yàn)前應(yīng)檢查方艙被試品外觀、調(diào)平機(jī)構(gòu)和升降機(jī)構(gòu)的完好性。

3）試驗(yàn)實(shí)施

①在方艙一側(cè)上部?jī)蓚€(gè)角件上各施加一個(gè)水平拉力，該拉力與地面距離乘積的2倍等于方艙一側(cè)幾何中心部位的作用力與地面距離的乘積，幾何中心部位的作用力相當(dāng)于風(fēng)載荷的作用力。

②方艙置于地面系固，施加相當(dāng)于風(fēng)速40 m/s的力，作用時(shí)間15 min；施加相當(dāng)于風(fēng)速60 m/s的力，作用時(shí)間lmin；

③升降機(jī)構(gòu)將方艙升至最大高度，施加相當(dāng)于風(fēng)速17 m/s的力，作用時(shí)間為15 min；施加相當(dāng)于風(fēng)速25 m/s的力，作用時(shí)間為lmin。

④風(fēng)速換算為作用力按公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：

W—方艙的風(fēng)載荷，單位N；

K—狀態(tài)系數(shù)，系固狀態(tài)時(shí)K=0.064，升降狀態(tài)時(shí)K=0.929；

ρ—空氣密度，ρ=1.226 kg/m3；

V—風(fēng)速，m/s；

A—方艙的迎風(fēng)面積，m2。

⑤）試驗(yàn)時(shí)應(yīng)在方艙任一端面上設(shè)置一個(gè)鉛垂吊線，觀察方艙傾斜的角度。

4）最后檢查

檢查升降機(jī)構(gòu)有無(wú)變形和結(jié)構(gòu)損壞，試驗(yàn)期間艙體有無(wú)傾覆。另外，還需檢查是否出現(xiàn)下列缺陷：

①方艙的艙板、艙門及試驗(yàn)樣件的脫層、空洞、翹曲、損壞和永久變形[5]；

②門、窗及孔口蓋板等活動(dòng)部件開(kāi)關(guān)不靈活或閉鎖不可靠，鎖止和限位機(jī)構(gòu)不正常；

③涂層、密封、連接、焊接等部位的膨脹、開(kāi)裂、脫落；

④芯材二次發(fā)泡導(dǎo)致的夾芯板變形；

⑤金屬件的銹蝕或鍍層脫落；

⑥安裝件、緊固件的彎曲、松動(dòng)、移位或損壞[6]；

⑦角件、角形件及滑橇等部位的變形、裂紋或損壞；

⑧其他缺陷。

1.3 有限元仿真試驗(yàn)

模擬載荷試驗(yàn)可以有效解決風(fēng)洞試驗(yàn)資源短缺的問(wèn)題，但模擬載荷試驗(yàn)只能在設(shè)計(jì)后期進(jìn)行。在設(shè)計(jì)初期數(shù)字原理樣機(jī)階段，可以引入有限元仿真試驗(yàn)方法，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件建立產(chǎn)品的數(shù)字樣機(jī)模型開(kāi)展仿真，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)薄弱環(huán)節(jié)，全面暴露產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷，并針對(duì)薄弱環(huán)節(jié)和缺陷進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，提升產(chǎn)品的可靠性水平，降低設(shè)計(jì)成本。

2 應(yīng)用案例

2.1 地面系固方艙

以CF60方艙平原地區(qū)抗風(fēng)試驗(yàn)為例，要求在8級(jí)風(fēng)力條件下能正常作業(yè)。依據(jù)上述模擬載荷試驗(yàn)方法，計(jì)算方艙的風(fēng)載荷，該型方艙無(wú)升降裝置，按地面系固狀態(tài)取狀態(tài)系數(shù)K為0.664；空氣密度按標(biāo)準(zhǔn)條件下取P為1.29 kg/m3；依據(jù)風(fēng)力對(duì)照表，取8級(jí)大風(fēng)對(duì)應(yīng)最大風(fēng)速V為20.7 m/s[7]；依據(jù)CF60方艙標(biāo)準(zhǔn)尺寸6 058 mm×2 438 mm×2 438 mm計(jì)算最大迎風(fēng)面面積A為14.77 m2。

計(jì)算方艙最大迎風(fēng)面幾何中心部位的作用力：

分別在迎風(fēng)面?zhèn)壬喜績(jī)蓚€(gè)角件上各施加一個(gè)水平拉力，作用時(shí)間15 min。該拉力與地面距離乘積的2倍等于方艙一側(cè)幾何中心部位的作用力與地面距離的乘積，折算出2個(gè)角件的水平拉力：

針對(duì)地面系固方艙，根據(jù)模擬載荷試驗(yàn)條件建立有限元仿真試驗(yàn)的邊界條件如圖1所示，設(shè)置重力方向?yàn)榇怪钡孛娣较颍▓D中-Y方向），在方艙角件位置分別建立大小為1 355.25 N的水平拉力，通過(guò)仿真計(jì)算，方艙的角件在水平拉力作用下的的水平位移為1.714 e-3 mm，等效應(yīng)力為0.139 65 MPa，分別如圖2與圖3所示，滿足產(chǎn)品使用要求。

圖1 地面系固方艙有限元仿真試驗(yàn)邊界條件

圖2 地面系固方艙Z方向位移分布云圖

圖3 地面系固方艙等效應(yīng)力分布云圖

2.2 升降方艙

以CF40升降方艙高原地區(qū)抗風(fēng)試驗(yàn)為例，要求在8級(jí)風(fēng)力條件下能正常作業(yè)。依據(jù)上述模擬載荷試驗(yàn)方法，計(jì)算方艙的風(fēng)載荷，該型方艙具有升降裝置，按升降狀態(tài)取狀態(tài)系數(shù)K為0.929；空氣密度按標(biāo)準(zhǔn)條件下取P為0.81 kg/m3；依據(jù)風(fēng)力對(duì)照表，取8級(jí)大風(fēng)對(duì)應(yīng)最大風(fēng)速V為20.7 m/s[7]；依據(jù)CF40方艙標(biāo)準(zhǔn)尺寸4 012 mm×2 438 mm×2 000 mm計(jì)算最大迎風(fēng)面面積A 為 8.02 m2。

計(jì)算方艙最大迎風(fēng)面幾何中心部位的作用力：

分別在迎風(fēng)面?zhèn)壬喜績(jī)蓚€(gè)角件上各施加一個(gè)水平拉力，作用時(shí)間15 min。該拉力與地面距離乘積的2倍等于方艙一側(cè)幾何中心部位的作用力與地面距離的乘積，折算出2個(gè)角件的水平拉力：

針對(duì)升降方艙，根據(jù)模擬載荷試驗(yàn)條件建立有限元仿真試驗(yàn)的邊界條件如圖4所示，設(shè)置重力方向?yàn)榇怪钡孛娣较颍▓D中-Y方向），在方艙角件位置分別建立大小為646.48 N的水平拉力，通過(guò)仿真計(jì)算，方艙的角件在水平拉力作用下的的水平位移為0.103 04 mm，等效應(yīng)力為15.405 MPa，分別如圖5與圖6所示，滿足產(chǎn)品使用要求。

圖4 升降方艙有限元仿真試驗(yàn)邊界條件

圖5 升降方艙Z方向位移分布云圖

圖6 升降方艙等效應(yīng)力分布云圖

3 試驗(yàn)應(yīng)用裝置

抗風(fēng)性能模擬載荷試驗(yàn)裝置，在行業(yè)內(nèi)習(xí)慣稱為拉力機(jī)，實(shí)際上也就是拉力試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)機(jī)由拉力控制傳感器、變形控制傳感器、數(shù)字顯示控制器、液壓泵、鋼絲拉繩、滑輪行程機(jī)構(gòu)等組成，試驗(yàn)裝置示意圖見(jiàn)圖7。

圖7 試驗(yàn)裝置示意圖

該試驗(yàn)裝置使用步驟：

1）將拉力機(jī)各連線連接正確，確認(rèn)無(wú)誤后，接通電源；

2）旋轉(zhuǎn)電源開(kāi)關(guān)按鈕，系統(tǒng)通電，試驗(yàn)機(jī)可以運(yùn)行；

3）預(yù)熱液壓泵30 min；

4）打開(kāi)控制器計(jì)算機(jī)，設(shè)置試驗(yàn)機(jī)拉力值；

5）安裝拉力繩，調(diào)節(jié)滑輪行程機(jī)構(gòu)橫梁到合適位置，使拉力繩保持水平；

6）調(diào)整拉力傳感器和變形傳感器的零點(diǎn)和位移清零；

7）核對(duì)控制過(guò)程無(wú)誤后，按下控制板的“開(kāi)始”按鈕，試驗(yàn)開(kāi)始；

8）使用引伸計(jì)時(shí)，當(dāng)變形達(dá)到試驗(yàn)方案設(shè)置的引伸計(jì)切換點(diǎn)時(shí)，控制器將會(huì)有鳳鳴提示，試驗(yàn)機(jī)進(jìn)入力保持狀態(tài)，此時(shí)卸除引伸計(jì)，然后關(guān)掉控制器提示，試驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)行，也可以通過(guò)觀察試驗(yàn)曲線，在設(shè)定的引伸計(jì)切換點(diǎn)到前，手動(dòng)切換引伸計(jì)，此時(shí)切換點(diǎn)將不再作用；

9）試驗(yàn)結(jié)束，在下面幾種情況下系統(tǒng)將停機(jī)：人工干預(yù)，按下“停止”按鈕；負(fù)荷過(guò)載保護(hù)，負(fù)荷超過(guò)過(guò)載保護(hù)上限；系統(tǒng)判斷被試品破型；

10）做完實(shí)驗(yàn)后關(guān)閉控制器，關(guān)閉試驗(yàn)機(jī)主機(jī)電源。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于方艙抗風(fēng)性能試驗(yàn)需求，在闡述風(fēng)洞試驗(yàn)方法及國(guó)內(nèi)試驗(yàn)資源的基礎(chǔ)上，探討了更具實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性的模擬載荷試驗(yàn)和仿真方法，分析了地面系固方艙在平原地區(qū)及升降方艙在高原地區(qū)兩種應(yīng)用實(shí)例，得出規(guī)定抗風(fēng)指標(biāo)下對(duì)應(yīng)的模擬載荷值及仿真結(jié)果，最后介紹了一種模擬風(fēng)力載荷試驗(yàn)裝置及其使用方法。本文研究的內(nèi)容和應(yīng)用案例對(duì)同類產(chǎn)品抗風(fēng)性能試驗(yàn)具有參考意義。