三角警告牌抗風(fēng)穩(wěn)定性測(cè)試方法與測(cè)試設(shè)備研究

趙航 馬志良 姜兆慶 王佳良

（1.長(zhǎng)春汽車檢測(cè)中心有限責(zé)任公司，長(zhǎng)春 130011；2.工業(yè)和信息化部裝備工業(yè)發(fā)展中心，北京 100846）

主題詞：三角警告牌 抗風(fēng)穩(wěn)定性 小型低速風(fēng)洞

1 前言

機(jī)動(dòng)車用三角警告牌是強(qiáng)制法規(guī)件，并要求隨機(jī)動(dòng)車攜帶。當(dāng)車輛發(fā)生故障或交通事故，妨礙交通又難以移動(dòng)時(shí)，放置在來(lái)車方向，距離事故車輛50～100 m 處，以提示后面的道路使用者停駛機(jī)動(dòng)車的存在位置。要求機(jī)動(dòng)車用三角警告牌使用便利、便于攜帶與放置，是機(jī)動(dòng)車重要的安全附件。GB 19151—2003《機(jī)動(dòng)車用三角警告牌》于2003年頒布實(shí)施，一直是強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)必檢項(xiàng)目之一[1]，GB 7258—2017《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》也規(guī)定：所有車輛應(yīng)配備1個(gè)符合GB 19151—2003規(guī)定的三角警告牌[2]。

抗風(fēng)穩(wěn)定性試驗(yàn)是GB 19151—2003《機(jī)動(dòng)車用三角警告牌》[1]中的難點(diǎn)，也是比較難模擬的試驗(yàn)項(xiàng)目。GB 19151—2003規(guī)定該項(xiàng)試驗(yàn)中，三角警告牌應(yīng)放置在60 km/h的風(fēng)速中進(jìn)行[1]，但由于標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)洞試驗(yàn)室造價(jià)昂貴，需要進(jìn)行大量的空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算，目前國(guó)內(nèi)的檢測(cè)機(jī)構(gòu)基本上都是用鼓風(fēng)機(jī)，通過(guò)風(fēng)速儀確定風(fēng)速，簡(jiǎn)單替代進(jìn)行試驗(yàn)。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)三角警告牌的主體結(jié)構(gòu)、尺寸進(jìn)行了嚴(yán)格的規(guī)定，但并未對(duì)其支撐裝置形式進(jìn)行限制，而不同的支撐裝置其抗風(fēng)穩(wěn)定性截然不同，并且由于鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)場(chǎng)存在縱向不均勻，且橫向風(fēng)速不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，使得該項(xiàng)試驗(yàn)精度較低，且重復(fù)性較差。

因此通過(guò)科學(xué)的研究與設(shè)計(jì)方法，開(kāi)發(fā)了一種新的測(cè)試方法與相應(yīng)的測(cè)試設(shè)備——一種小型低速風(fēng)洞，并通過(guò)有限元分析與CFD 仿真對(duì)其結(jié)構(gòu)與風(fēng)場(chǎng)分布進(jìn)行了模擬，以解決上述問(wèn)題。

2 方案設(shè)計(jì)

風(fēng)洞是進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)研究的主要試驗(yàn)設(shè)備，風(fēng)洞設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是在動(dòng)力裝置功率最小和成本最低的情況下，提供各種速度范圍內(nèi)模型試驗(yàn)所必需的氣動(dòng)力環(huán)境，即希望在一個(gè)簡(jiǎn)單的風(fēng)洞中能大范圍地改變各種相似參數(shù)，實(shí)現(xiàn)最大范圍的功能試驗(yàn)。然而經(jīng)驗(yàn)表明，在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上這都是不現(xiàn)實(shí)的。馬赫數(shù)（Ma）是風(fēng)速與音速的比值，是風(fēng)洞的重要參數(shù)之一。通常將馬赫數(shù)（Ma）劃分為4 個(gè)范圍，從而導(dǎo)出4種基本類型的風(fēng)洞：

Ma＜0.40，為低速風(fēng)洞；

0.40≤Ma＜1.40，為跨聲速風(fēng)洞；

1.40≤Ma＜5.00，為超聲速風(fēng)洞；

Ma≥5.00，為高超聲速風(fēng)洞[3]。

本文所設(shè)計(jì)風(fēng)洞的Ma=0.05，屬低速風(fēng)洞范疇。

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

要克服鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)場(chǎng)的縱向不均勻和湍流強(qiáng)度高的缺點(diǎn)，采取風(fēng)洞的形式是科學(xué)且合理的選擇。但是由于試驗(yàn)室現(xiàn)有的空間結(jié)構(gòu)以及開(kāi)發(fā)成本的限制，需要對(duì)風(fēng)洞的尺寸、結(jié)構(gòu)以及其性能設(shè)計(jì)的側(cè)重點(diǎn)進(jìn)行有針對(duì)性的設(shè)計(jì)。

在滿足三角警告牌試驗(yàn)區(qū)域風(fēng)場(chǎng)符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的前提下，盡量的減小風(fēng)洞直徑，這也對(duì)成本的控制有利。同時(shí)由于試驗(yàn)室空間有限，且出風(fēng)口附近不能有遮擋，風(fēng)洞軸向尺寸不能超過(guò)6 m。對(duì)于結(jié)構(gòu)，需要采用分段的形式，以提高其對(duì)風(fēng)場(chǎng)的處理能力，將在下文中進(jìn)行闡述。對(duì)于其性能的側(cè)重點(diǎn)，選取了對(duì)試驗(yàn)精度影響較大的兩方面進(jìn)行研究，也就是上文提到的風(fēng)場(chǎng)的縱向均勻性與湍流強(qiáng)度。

2.1.1 風(fēng)洞結(jié)構(gòu)

風(fēng)洞主要由洞體、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和測(cè)量控制系統(tǒng)組成，各部分的形式因風(fēng)洞類型而異。

洞體有一個(gè)能對(duì)模型進(jìn)行必要測(cè)量和觀察的試驗(yàn)段。試驗(yàn)段上游有提高氣流勻直度、降低湍流度的穩(wěn)定段，和使氣流加速到所需流速的收縮段。根據(jù)本項(xiàng)目的實(shí)際情況，還需要增加穩(wěn)定段與試驗(yàn)段的過(guò)渡段，因此采用了風(fēng)機(jī)段-收縮段-穩(wěn)定段-過(guò)渡段-試驗(yàn)段的洞體分段結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖1。

圖1 洞體分段結(jié)構(gòu)

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要是為風(fēng)洞提供足夠空氣流量，也是流速的動(dòng)力源，一般情況下由風(fēng)機(jī)配合控制系統(tǒng)來(lái)完成。

測(cè)量控制系統(tǒng)作用是按預(yù)定的試驗(yàn)程序，控制各種閥門、活動(dòng)部件、模型姿態(tài)，并通過(guò)傳感器，由數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)測(cè)得氣流參數(shù)、模型姿態(tài)和相關(guān)的物理參數(shù)。

2.1.2 洞體的過(guò)渡與風(fēng)場(chǎng)的穩(wěn)定性

洞體的斷面形狀是由氣動(dòng)設(shè)計(jì)確定的，考慮到矩形斷面有利于觀察窗的開(kāi)設(shè)，同時(shí)需要在試驗(yàn)段放置測(cè)試路面，路面平行于地面放置。標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)路面尺寸的規(guī)定為1 500 mm×1 200 mm，因此將試驗(yàn)段縱向截面形狀設(shè)置為方形，尺寸為1 350 mm×1 350 mm，比路面寬150 mm，長(zhǎng)度為1 650 mm，比路面長(zhǎng)150 mm，風(fēng)扇段為了適應(yīng)風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)的需要斷面形狀設(shè)置為圓形。

收縮段作用是加速氣流，同時(shí)保證氣流均勻，不發(fā)生分離，使其達(dá)到試驗(yàn)所需要的速度。

收縮段應(yīng)滿足以下要求：

（1）氣流沿收縮段流動(dòng)時(shí)，洞壁上不出現(xiàn)氣流分離；

（2）收縮段出口的氣流要求均勻、平直而且穩(wěn)定；

（3）收縮段不宜過(guò)長(zhǎng)[4]。

根據(jù)收縮比λ為進(jìn)口面積S進(jìn)口與出口面積S出口的比值，λ=S進(jìn)口/S出口=1.25，可確定直徑D=0.8 m。

收縮段長(zhǎng)度（L）一般可以采用直徑（D）的0.5～1.0倍[3]，取L=750 mm。

穩(wěn)定段又稱安定段。穩(wěn)定段殼體與其前后段的連接采用法蘭連接，采用法蘭連接是為了便于內(nèi)部件的安裝和更換。穩(wěn)定段內(nèi)部通常裝有整流裝置。整流裝置一般是指蜂窩器，其作用是對(duì)風(fēng)扇段來(lái)的氣流進(jìn)行分層和導(dǎo)向。通過(guò)穩(wěn)定段蜂窩器的作用，可以減小氣流的分離和發(fā)散，改善穩(wěn)定段氣流特性，提高風(fēng)洞的運(yùn)行效率。蜂窩器由許多方形、圓形或六角形的等截面小管道并列組成，形狀如同蜂窩，故名蜂窩器，如圖2 所示。從氣流損失方面來(lái)看，六邊形蜂窩器管道的阻力損失最小，方形次之，圓形最差[3]。從加工制造方面來(lái)看，圓形和方形蜂窩器加工制造簡(jiǎn)單，因而成本低，六角形蜂窩管加工制造比較難，成本也高。圓形截面蜂窩器圓管內(nèi)部氣流阻力較小、流動(dòng)均勻，且具有成本的顯著優(yōu)勢(shì)，因此選擇圓形蜂窩器。

圖2 常見(jiàn)蜂窩器的蜂窩格子形狀

為達(dá)到較好的整流效果，單個(gè)小管道直徑取為50 mm，長(zhǎng)度為200 mm。在保證使氣流平穩(wěn)的條件下，穩(wěn)定段的直徑取800 mm，長(zhǎng)度取750 mm。

過(guò)渡段位于穩(wěn)定段之后和試驗(yàn)段前，其作用是過(guò)渡連接這2 個(gè)部分。因?yàn)榉€(wěn)定段截面是圓形的，而試驗(yàn)段截面是矩形的，二者不能夠通過(guò)直接接觸進(jìn)行連接。過(guò)渡段能很好的將這2 個(gè)部分進(jìn)行過(guò)渡連接，從而減少因?yàn)榻孛嫘螤畎l(fā)生變化而引起氣體流動(dòng)狀態(tài)的改變。直流式低速風(fēng)洞試驗(yàn)平臺(tái)是由各部分結(jié)構(gòu)通過(guò)法蘭和螺母連接組裝而成。過(guò)渡段的長(zhǎng)度并沒(méi)有嚴(yán)格的設(shè)計(jì)要求，但其長(zhǎng)度應(yīng)適宜，過(guò)長(zhǎng)會(huì)增加風(fēng)洞設(shè)備的制造成本，過(guò)短又會(huì)影響到風(fēng)扇段氣流流動(dòng)特性。本節(jié)結(jié)合穩(wěn)定段和試驗(yàn)段相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)過(guò)渡段進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，最終確定過(guò)渡段長(zhǎng)度為500 mm。

三角警示牌檢測(cè)設(shè)備中洞體分為風(fēng)機(jī)段、收縮段、穩(wěn)定段、過(guò)渡段和試驗(yàn)段。連接部分采用螺栓均布連接，在連接處均采用棉質(zhì)和皮質(zhì)密封材料密封，防止在試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)漏風(fēng)的現(xiàn)象。

2.2 洞體材料選擇

根據(jù)風(fēng)洞的尺寸不同，風(fēng)洞洞體可以選擇木結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)或混合結(jié)構(gòu)。這3種材料各有優(yōu)缺點(diǎn)，但就風(fēng)洞氣流品質(zhì)來(lái)講，這3種材料之間是沒(méi)有差別的。木材和鋼筋混凝土是航空聲學(xué)風(fēng)洞的首選材料，因這些材料的傳聲性能差而有助于減弱風(fēng)洞殼體產(chǎn)生的噪聲。木結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕，容易加工和改造，吸收振動(dòng)和噪聲的效果比較好，價(jià)格也相對(duì)便宜。因此，小型風(fēng)洞和中型低速風(fēng)洞的收縮段、試驗(yàn)段、第一擴(kuò)散段多采用木結(jié)構(gòu)。近年來(lái)，由于木材缺乏，國(guó)家政策限制木材的使用，因此純木結(jié)構(gòu)風(fēng)洞較少，多采用鋼木混合結(jié)構(gòu)。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)不怕日曬、雨淋自然環(huán)境的影響，材料容易獲得，易形成復(fù)雜的形狀，吸振和隔聲效果好。鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，可焊接成大型管道和結(jié)構(gòu)件，焊接管道和容器的密封性好，可承受高的內(nèi)壓，可進(jìn)行機(jī)械加工獲得高的制造精度。與木結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)風(fēng)洞洞體有利于風(fēng)洞內(nèi)外的傳熱。只要對(duì)鋼結(jié)構(gòu)洞體表面進(jìn)行防腐涂層處理，則洞體就不會(huì)受到氣候環(huán)境的影響，而使其使用壽命延長(zhǎng)。而且鋼結(jié)構(gòu)風(fēng)洞施工周期較短（可以與基礎(chǔ)施工并行施工），所以，大、中、小型低速風(fēng)洞洞體均可以采用鋼結(jié)構(gòu)，但應(yīng)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)風(fēng)洞洞體進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，以防止風(fēng)洞洞體劇烈振動(dòng)，尤其是要避免洞體發(fā)生共振?？紤]到加工工藝性和方便移動(dòng)的特性，三角警示牌的檢測(cè)設(shè)備采用鋼結(jié)構(gòu)焊接制作。

3 方案的仿真與優(yōu)化

3.1 建模與初步仿真分析

3.1.1 三維模型的建立

根據(jù)方案設(shè)計(jì)確定的尺寸結(jié)構(gòu)，利用SolidWorks建模，得到系統(tǒng)的三維模型如圖3所示。

圖3 風(fēng)洞結(jié)構(gòu)三維模型

3.1.2 三維模型的CAE分析

將搭建的三維模型導(dǎo)入到ANSYS 中后，利用Static structural 模塊對(duì)設(shè)計(jì)的模型進(jìn)行靜力學(xué)受力分析[5]，模型導(dǎo)入ANSYS 后如圖4 所示。

圖4 ANSYS模型

網(wǎng)格劃分采用四面體劃分方法[6]，網(wǎng)格大小為默認(rèn)值，具體參數(shù)設(shè)定和劃分結(jié)果分別如表1和圖5所示。

圖5 網(wǎng)格劃分結(jié)果

表1 網(wǎng)格劃分參數(shù)設(shè)定

在約束的設(shè)置上，采用風(fēng)機(jī)和穩(wěn)定段的下底面和試驗(yàn)段的地面作為固定約束，并在整個(gè)試驗(yàn)檢測(cè)設(shè)備的質(zhì)心位置施加一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)重力，方向?yàn)?Y方向，具體的施加方法如圖6所示

圖6 施加約束和受力

經(jīng)過(guò)計(jì)算得到整個(gè)系統(tǒng)的變形和應(yīng)力云圖，分別如圖7和圖8所示。

圖7 系統(tǒng)變形

圖8 系統(tǒng)應(yīng)力

從仿真結(jié)果可以看出系統(tǒng)的最大變形在風(fēng)機(jī)位置處，由于風(fēng)機(jī)質(zhì)量較大引起的較大變形，最大變形量為0.02 mm（圖7）。從圖8可以看出最大應(yīng)力為1.67 MPa，也是發(fā)生在風(fēng)機(jī)位置處，由此可以看出此系統(tǒng)在無(wú)外力作用下產(chǎn)生的變形可以基本忽略，系統(tǒng)可靠性較高。

3.2 方案的優(yōu)化與仿真

風(fēng)洞動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的復(fù)雜性決定了需要從硬件、軟件2方面入手，以提高試驗(yàn)的精細(xì)化程度，而仿真技術(shù)則是試驗(yàn)設(shè)計(jì)評(píng)估和數(shù)據(jù)分析的有效手段[7]。

利用SolidWorks Flow Simulation 軟件對(duì)尺寸確定的風(fēng)道進(jìn)行CFD 仿真[8]，入口體積流量為9.785 m3/s，出口保持環(huán)境壓力，如圖9 所示。風(fēng)道縱向剖面和橫截面的速度云圖如圖9～圖11所示。從圖10中可以看出，三角牌所處橫截面的風(fēng)場(chǎng)分布從外至內(nèi)風(fēng)速先增大后減小，最大風(fēng)速為20.5 m/s，能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)需求的16.7 m/s（60 km/h）的要求。

圖9 CFD仿真中的出入口邊界條件設(shè)置

圖10 初始三維模型風(fēng)道縱向剖面速度

圖11 初始三維模型風(fēng)道橫截面速度

根據(jù)GB19151—2003《機(jī)動(dòng)車用三角警告牌》中要求，三角牌的形狀尺寸及與路面、風(fēng)道的相對(duì)位置如圖12所示，其中路面的厚度為100 mm。

圖12 三角牌與路面、風(fēng)道相對(duì)位置關(guān)系

為了更好的將氣流作用在三角牌的警告面上，將試驗(yàn)段的風(fēng)道相對(duì)穩(wěn)定段進(jìn)行向上偏心設(shè)計(jì)，路面上表面至風(fēng)道底面的距離設(shè)計(jì)為140 mm，路面上表面與穩(wěn)定段風(fēng)道內(nèi)壁相切，如圖13所示。

圖13 偏心設(shè)計(jì)后路面放置區(qū)和穩(wěn)定段風(fēng)道的相對(duì)位置關(guān)系

對(duì)偏心設(shè)計(jì)后的風(fēng)道進(jìn)行CFD 仿真，結(jié)果如圖14～圖15所示。由圖14可見(jiàn)，與原來(lái)無(wú)偏心設(shè)計(jì)的風(fēng)道比，偏心設(shè)計(jì)后的風(fēng)道氣流能夠更加集中在三角牌警告面所在區(qū)域。

圖14 偏心設(shè)計(jì)后風(fēng)道縱向剖面速度

圖15 偏心設(shè)計(jì)后風(fēng)道橫截面速度

圖15 表明風(fēng)速的最大值出現(xiàn)在風(fēng)道中的位置高于三角牌的最上端，三角牌最上端所處的位置處于風(fēng)速中心較小的區(qū)域，三角牌所受到的傾覆力矩不是最大值。基于此考慮將路面在風(fēng)道偏心設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上再往上移動(dòng)230 mm，移動(dòng)后的路面、三角牌和風(fēng)道的相對(duì)位置如圖16～圖17 所示。對(duì)路面上移設(shè)計(jì)后的風(fēng)道進(jìn)行CFD仿真，結(jié)果如圖18所示。

圖16 路面上移230 mm后剖面

圖17 上移230 mm后的路面、三角牌和風(fēng)道的相對(duì)位置關(guān)系

圖18 上移230 mm后風(fēng)道橫截面速度

可以看出當(dāng)路面上移設(shè)計(jì)后三角牌最上端所處的位置處于風(fēng)速最大的區(qū)域，三角牌所受到的傾覆力矩為最大。

考慮到實(shí)際由于軸流風(fēng)機(jī)的工作原理導(dǎo)致的氣流的脈動(dòng)性，為了使到達(dá)三角牌警告面的氣流更加平穩(wěn)，在風(fēng)道的穩(wěn)定段處加裝圓形蜂窩網(wǎng)，如圖19所示。加裝蜂窩網(wǎng)后的風(fēng)道CFD 仿真如圖20 所示，可以看出，相對(duì)未安裝蜂窩網(wǎng)的風(fēng)道氣流，在三角牌警告面處的速度更加均勻。

圖19 安裝實(shí)心蜂窩網(wǎng)后的效果

圖20 安裝蜂窩網(wǎng)后三角牌警告面出的速度

由上面CFD 仿真結(jié)果可以看出，無(wú)論風(fēng)道是否安裝蜂窩網(wǎng)，三角牌警告面處的橫截面中心區(qū)域氣流速度較低，經(jīng)分析可知，由于軸流風(fēng)機(jī)異步電機(jī)較大的尺寸，對(duì)于氣流穩(wěn)定性的影響也不可忽略，因此考慮在蜂窩管的中心處開(kāi)孔，如圖21所示。對(duì)安裝開(kāi)口蜂窩網(wǎng)的風(fēng)道進(jìn)行CFD 仿真，如圖22 所示，其在橫截面處的氣流速度更加均勻。

圖21 安裝空心蜂窩網(wǎng)后的效果

圖22 安裝蜂窩網(wǎng)后三角牌警告面氣流的速度

4 樣機(jī)測(cè)量誤差與分析

4.1 風(fēng)場(chǎng)湍流強(qiáng)度測(cè)量與分析

由于不同馬赫數(shù)的風(fēng)洞風(fēng)場(chǎng)特點(diǎn)不一，因此在評(píng)價(jià)不同馬赫數(shù)風(fēng)洞的時(shí)候，便會(huì)有針對(duì)性的選取對(duì)風(fēng)洞風(fēng)場(chǎng)影響最大的參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。如當(dāng)Ma≤0.6 時(shí)，湍流度（速度脈動(dòng)）是氣流的主要影響因素，壓力脈動(dòng)和溫度脈動(dòng)可忽略；當(dāng)0.6≤Ma≤1.3 時(shí)，壓力脈動(dòng)是氣流主要的影響因素，湍流度和溫度脈動(dòng)可忽略[9]；而本文所設(shè)計(jì)風(fēng)洞的馬赫數(shù)遠(yuǎn)小于0.6，因此對(duì)其湍流度進(jìn)行評(píng)價(jià)是必要的。普通測(cè)試風(fēng)洞一般要求湍流強(qiáng)度小于2%。

根據(jù)流體力學(xué)知識(shí)，湍流強(qiáng)度等于湍流脈動(dòng)速度與平均速度的比值，可用測(cè)試風(fēng)速-時(shí)間歷程數(shù)據(jù)求解平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，從而求解出湍流強(qiáng)度[10]，如式（1）。

式中，I為湍流強(qiáng)度；std（v）為風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差；mean（v）為風(fēng)速平均值。

調(diào)試過(guò)程中，風(fēng)速測(cè)量曲線（風(fēng)速-時(shí)間歷程曲線）及平均值、標(biāo)準(zhǔn)差如圖23所示，曲線中的峰值主要是軸流風(fēng)機(jī)的特性與風(fēng)洞尺寸因素造成的小幅氣流脈動(dòng)。

圖23 風(fēng)速-時(shí)間歷程

根據(jù)式（1）可求得湍流強(qiáng)度，測(cè)試結(jié)果顯示湍流強(qiáng)度為1.86%，小于2%，表明湍流較弱，滿足普通測(cè)試風(fēng)洞的一般要求[3]。

4.2 風(fēng)場(chǎng)縱向穩(wěn)定性測(cè)量與分析

本試驗(yàn)的試驗(yàn)件為薄平面造型，垂直于風(fēng)場(chǎng)流動(dòng)方向放置。因此對(duì)該試驗(yàn)縱向平面的風(fēng)場(chǎng)均勻性進(jìn)行測(cè)量與評(píng)價(jià)是必要的。

在GB 19151—2003 中，未對(duì)風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)速誤差做具體量化要求，但從其5.10 條款明確中指出[1]，“將警告牌安置好后，使其經(jīng)受動(dòng)態(tài)壓力為180 Pa 的氣流（相當(dāng)于60 km/h）作用3 min?！睆娘L(fēng)場(chǎng)動(dòng)壓與風(fēng)速的換算可得知其對(duì)風(fēng)速誤差的量化要求，分析如下。

標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下動(dòng)壓與風(fēng)速的轉(zhuǎn)換公式，如式（2）。

式中，q為動(dòng)壓；r為空氣重度；v為風(fēng)速。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下取r=0.012 25 kN/m3，g=9.8 m/s2。

因此，60 km/h 的風(fēng)速產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的動(dòng)壓為173.61 Pa。與標(biāo)準(zhǔn)要求的180.00 Pa 的誤差為3.55%，確定為本評(píng)價(jià)方案的誤差要求。

風(fēng)場(chǎng)方案的優(yōu)化一直圍繞著三角警告牌所在承載截面來(lái)進(jìn)行。將樣機(jī)中三角警告牌中心點(diǎn)p1調(diào)節(jié)至風(fēng)速為16.70 m/s，對(duì)頂點(diǎn)p2、底邊左邊緣點(diǎn)p3與底邊右邊緣點(diǎn)p4進(jìn)行風(fēng)速測(cè)量，取每個(gè)測(cè)量點(diǎn)風(fēng)速的3 min 平均值，測(cè)得p2=16.86 m/s、p3=16.77 m/s、p4=16.83 m/s，對(duì)p1～p4計(jì)算均方根誤差：

式中，RMSE為風(fēng)場(chǎng)縱向分布均方根誤差；pi為風(fēng)速實(shí)測(cè)值為風(fēng)速設(shè)定目標(biāo)值，取16.70 m/s；n為測(cè)量次數(shù)。

計(jì)算結(jié)果表明試驗(yàn)截面風(fēng)場(chǎng)縱向風(fēng)速分布均方根誤差為0.109 m/s，其最大偏差發(fā)生在p2點(diǎn)，偏差約為0.96%，低于3.55%，可滿足試驗(yàn)需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)測(cè)試方法的研究，確定了測(cè)試設(shè)備的形式，進(jìn)而對(duì)方案進(jìn)行構(gòu)思，并在仿真后不斷調(diào)整方案細(xì)節(jié)，最終得到了一個(gè)目前行業(yè)內(nèi)測(cè)試精度最高的測(cè)試方法與對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)設(shè)備。在整個(gè)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，充分利用了現(xiàn)有的知識(shí)資源，經(jīng)過(guò)多次仿真驗(yàn)證，對(duì)方案進(jìn)行試驗(yàn)性調(diào)整，極大降低了開(kāi)發(fā)成本與時(shí)間。

這個(gè)方案的形成，不僅克服了三角警告牌抗風(fēng)穩(wěn)定性項(xiàng)目長(zhǎng)期以來(lái)的測(cè)試方法不完善、測(cè)試精度低、可重復(fù)性低的缺陷，更填補(bǔ)了類似的小型部件的垂直截面抗風(fēng)穩(wěn)定性試驗(yàn)的測(cè)試方法與設(shè)備的空白。由于方案的成本較低，精度可滿足大多數(shù)試驗(yàn)需求，對(duì)類似試驗(yàn)需求的部件提供了一個(gè)具有切實(shí)可行的解決方案，并且有助于推進(jìn)相關(guān)測(cè)試的規(guī)范化與標(biāo)準(zhǔn)化。