亞音速壁板顫振模型設計及風洞試驗技術

施海健，楊翊仁，龔 慶，范晨光

(西南交通大學力學與工程學院，成都 610031)

由于高速列車車體采用流線形設計以最大程度地減小空氣阻力，因此在高速列車車體中存在著大量的蒙皮等壁板結構［1］。隨著高速列車的不斷提速，低速運行時被合理忽略的氣動力將成為影響列車高速行駛安全的主要因素［2］。現階段對于壁板結構的研究主要集中在超音速領域。對于亞音速壁板，尤其是對應于高速列車運行馬赫數為0.3左右的低亞音速壁板，國內外的研究還比較少見。Li Peng等［3］從理論上研究了基于微分求積法的彈性板在亞音速流中的穩定性。然而，利用模型風洞實驗方法對亞音速壁板系統進行研究的工作極為鮮見，僅有少數試驗驗證了對邊簡支板可在馬赫數為0.125時發生顫振［4］。因此，有必要對這一問題進行深入研究。本文采用模型風洞試驗的方法對亞音速壁板的氣動彈性特性進行研究，以期拓展亞音速壁板氣動彈性特性的研究方法。

1 亞音速壁板低速顫振模型設計

1.1 二維亞音速壁板顫振模型

實際列車上使用的壁板結構大多為型材。列車運行的速度為300～400 km/h，而且高速列車壁板不僅受氣動力激勵，還受輪軌激擾作用影響，因而其響應會比較明顯。文獻［5－6］研究了外激勵作用下和參數激勵下系統的響應。考慮到試驗風洞的最大風速為45 m/s，且除氣動力之外的激勵可以忽略，還要使壁板模型有較明顯的便于觀察、測量的振動。依據理論計算，設計了如表1所示的幾種二維懸臂支承壁板模型，探討了不同長寬比對壁板二維特性的影響。二維壁板模型設計有2個要素必須滿足:一是壁板變形呈現二維特性;二是壁板單側受流，另一側流體相對保持靜態。

對于壁板的二維特性，本文采用大長寬比模型來實現(參見表1)。為了實現壁板模型的單側受風，本文設計了如圖1所示的導流裝置。該裝置由一個近似封閉的空腔構成，其前導流面與前緩沖區域可以保證流場在受大的擾動后流經壁板模型處仍為均勻流場，而后導流面與后緩沖區可以使壁板模型避開尾流的影響。裝置背面完全密閉。壁板模型的左端用平頭螺釘固定，右端與上、下側均自由。為避免壁板模型橫向振動受影響，壁板模型與導流面之間留有2 mm間隙，從而模擬二維懸臂薄板情況。整個裝置相對密閉，可以用來模擬壁板模型單側受均勻氣流作用。

圖1 導流裝置示意圖

表1 壁板模型尺寸與理論計算

1.2 模型支架的設計及安裝位置

模型支架的設計要求對流場的擾動盡量小，受來風激勵后導流裝置產生的響應可以忽略。基于上述原則，支架借鑒籃球架子的設計，由60 mm×60 mm×4 mm的箱型鋼焊接而成，在保證導流裝置處于風洞口正中間的情況下，盡量使支架遠離洞口。模型支架三視圖如圖2所示。同時，把支架焊接在長1 200 mm，寬600 mm，厚10 mm的鋼板上，再把鋼板固定在試驗臺上。鑒于整個支架的迎風面很小，因而相對于氣流作用而言，其剛度已足夠大，導流裝置幾乎不動。

圖2 模型支架三視圖

2 模型風洞試驗方法

本文采用非接觸式動態數據采集方法，利用Polytec激光測振儀采集數據，對壁板模型的中點進行響應數據采集，測振儀及響應測點位置如圖3所示。進行風洞試驗時，首先調試設備，確保激光能打在模型壁板中點處，且有良好的信號反饋。之后，在風洞控制臺上選用手動擋調節風速，慢慢轉動旋鈕，同時注意控制臺屏幕上風速的變化。在風速達到10 m/s之后，速度每增加1 m/s觀察壁板模型的氣動彈性響應特性，直到壁板出現等幅振動為止。而后采用DASYLab軟件進行分析。分析系統如圖4所示。對于某一特定風速，壁板模型的氣動彈性響應特性可以從虛擬系統繪制的頻譜圖中得出，從而判斷壁板模型所處的運動狀態。

圖3 Polytec激光測振儀及響應測點位置

圖4 虛擬測試分析系統

3 試驗結果與分析

從風洞試驗結果來看，壁板模型的長寬比大于10時的二維特性較好。下面僅就長寬厚分別為450、40、0.4 mm的不銹鋼壁板模型的風洞試驗結果進行討論。由數值分析得知，顫振臨界速度為18.1 m/s。試驗得到的頻譜圖如圖5、6所示。

圖5 風速為19.0 m/s的頻譜圖

圖6 風速為21.0 m/s的頻譜圖

從圖5可以看出:當風速為19.0 m/s時，壁板模型總體處于穩定狀態。圖6顯示，當風速為21.0 m/s時頻譜圖中出現單峰值。由此可以斷定，在此風速下壁板模型發生了顫振。理論分析得到的顫振臨界速度值與風洞試驗得到的臨界顫振速度的相對誤差為13.8%。產生誤差的原因很多，主要有以下3點:①壁板模型與空腔之間存在間隙，壁板振動時會擾動空腔內的氣體，從而在壁板下游區域形成尾流擾動;② 懸臂二維壁板的固支端是由4個平頭螺釘固定的，這種連接方式不能構建絕對的固定端，導致支承剛度減弱;③在吹風時，由于壁板模型一側受流，受流面的壓強比不受流面的壓強要小，使得懸臂壁板的平衡位置發生偏移，進而使壁板模型與來流之間存在一定的攻角。

盡管顫振臨界速度的理論值與試驗實測值存在一定的誤差，但這個誤差是在可接受的范圍之內。總體上看，試驗結果真實可信。

4 結論

本文對亞音速二維壁板顫振模型進行了合理設計，采用非接觸式動態數據采集方法，探索了風洞試驗數據采集技術，并利用DASYLab專業軟件進行處理，觀察到了壁板模型的顫振現象，得到如下結論:

1)壁板模型的長寬比宜在10左右，過長易受外界擾動影響，過短則不能良好體現壁板的二維特性。

2)采用平緩弧面與一定的緩沖區域可以使流場受到強擾動后恢復均勻。不可忽略尾流的影響，因而要使用距試驗區一定距離的弧面來盡可能降低尾流對試驗區的擾動。

3)壁板模型較薄，因而小擾動即可在自由端產生大的響應，故而宜對壁板模型的中部進行非接觸式數據采集，以降低誤差。

［1］李鵬，楊翊仁，魯麗.激勵作用下亞音速二維壁板的復雜響應研究［J］.計算力學學報，2011，28(6):864－871.

［2］Schetz J A.Aerodynamics of high － speed trains［J］.Annual Review of Fluid Mechanics，2001，33:371 －414.

［3］Li Peng，Yang Yiren.Instability Analysis of Fluid and E-lastic Panel System Based on the Differential Quadrature Method.Mechanic Automation and Control Engineering(MACE)［C］//2011 Second International Conference.2011:2258－2262.

［4］Dugundji J，Dowell E，Perkin B.Subsonic flutter of panels on continuous elastic foundations［J］.AIAA Journal，1963，1(5):1146 －1154.

［5］Wang Lin，Ni Qiao，Huang Yuying.Bifurcations and Chaos in a Forced Cantilever System with Impacts［J］.Journal of Sound and Vibration，2006，296(4/5):1068－1078.

［6］Kenfack A.Bifurcation Structure of Two Coupled Periodically Driven Double-well Duffing Oscillators［J］.Chaos，Solitons and Fractals，2003，15(2):205 －218.