某環境風洞主體結構的有限元分析

曲明 張國友 徐輝 閆洪囡

摘要：本文所研究風洞為薄壁結構，由于風洞的剛強度特性、振動特性、支座結構形式對于試驗安全、數據精準度及基礎施工均有一定影響，因此對風洞主體結構進行了有限元分析，獲得了靜力學及模態分析結果，結果表明風洞支座結構形式合理，位置適當，能夠滿足地基承載要求，洞體剛強度特性及振動特性較好，但應對部件局部進行進一步優化。

關鍵詞：風洞；剛強度；模態；支反力

Finite element analysis of the main structure of the environmental wind tunnel

QU Ming，ZHANG Guo-you，XU Hui，YAN Hong-nan

（AVIC Aerodynamics Research Institute,Harbin,150001,China）

Abstract：The study of wind tunnel is a thin structure, because the wind intensity and stiffness of the bearings, vibration characteristic, structure form for test security, data accuracy and foundation construction have a certain impact, so the wind tunnel body structure finite element analysis is carried out, the results of static and mode, results show that the tunnel support structure reasonable, position appropriate, can meet the requirements of good foundation bearing capacity, stiffness and strength properties of hole and the vibration characteristics, but to address the part for further optimization.

Keywords: Wind tunnel; stiffness; modal; force

引言

環境風洞能夠模擬污染物在大氣中的遷移擴散，隨著輻射防護技術及風洞試驗技術的不斷提高，目前越來越多采用風洞試驗手段來開展污染物遷移擴散規律的研究。該風洞采用直流下吹式風洞構型，由動力段、大角擴散段、穩定段、收縮段、試驗段、擴散段及出口擴散段等部分組成，支撐于40個支座上。洞體為薄殼加T型筋板的結構形式，洞體、整流罩、支撐片、止旋片、筋板及支座均為焊接聯結，為減弱動力段在風洞運行時對于洞體其它部分的振動影響，兩者之間采用柔性節聯結。

風洞運行時，風洞重量及所受載荷通過支座傳遞到風洞地基上，因此有必要對支座的布置位置進行合理優化，使土建基礎載荷能夠滿足風洞承載要求。由于動力電機位于動力段，因此需對動力段進行振動特性分析，通過計算結果優化結構，加強薄弱環節，避免共振現象發生。另外由于洞體為薄壁結構，剛度差，從使用安全和試驗數據精度兩方面考慮，還需計算洞體的剛強度，基于以上各方面需求，我們對風洞主體結構進行了有限元分析，通過計算結果驗證了總體結構設計的合理性，對于局部需改進地方依據計算結果提出了有針對性的改進措施。

本文采用有限元分析軟件Hyperworks集成平臺的前處理工具Hypermesh和內置解算器OptiStruct對于環境風洞主體結構進行了有限元分析。

1．建立有限元計算模型

有限單元法通過節點進行力的傳遞，由于動力段和大角擴散段采用柔性節聯結，二者之間沒有力的傳遞，所以分別建立動力段和洞體其它部分的有限元計算模型。

由于洞體主體結構均為薄殼形式，所以應用殼體單元來進行模擬，采用有限個單元的組合體來替代原結構的連續體，這就存在著近似度的問題，隨著網格的加密和單元尺寸的縮小，有限元模型和原結構的吻合度將越來越高，綜合考慮計算精度及計算規模，通過不斷調整網格密度，對比不同計算結果，最終動力段共劃分單元63705個，洞體其它部分共劃分單元215359個。在劃分相鄰部件網格時，相鄰單元尺寸要盡量接近，以免集成時剛度矩陣元素的大數和小數相加減，造成計算精度的損失，網格劃分完畢后，使用Hypermesh內置工具對單元質量進一步檢查，保證了有限元模型的計算準確性，動力段及洞體其它部分的有限元計算模型分別如圖1，圖2所示。

圖1 動力段有限元計算模型

圖2 洞體有限元計算模型

2．支座反力計算分析

該風洞是一座低速風洞，試驗時的風速一般小于20m/s，內外壓差最大處為750Pa，相對于洞體自重可以忽略，因此在進行靜力學分析時僅考慮洞體主體的重量，風洞主體及筋板等結構材料均采用Q235，材料屬性如表1所示，為獲得每個支座的總載荷，在各個支座與地面接觸處建立基于多點約束方程的剛性單元，動力段支座反力計算結果如表2所示，洞體支座反力結果如表3所示，沿風洞豎直中面對稱位置布置的支座使用同一編號，因此風洞主體結構的40個支座共有21組計算結果，按照從動力段到出口擴散段的順序命名支座，由于篇幅所限，僅將動力段3組支座反力的計算結果云圖列出，分別如圖3，圖4，圖5所示，從計算結果可知，土建地基承載能力完全能夠滿足風洞的使用需求。

表1 材料屬性

材料 彈性模量E(Pa) 泊松比u 密度P (kg/ )

Q235 2.06E+11 0.3 7850

表2 動力段支座反力計算結果 單位：N

支座1 支座2 支座3

3507.5 16090 4234.5

表3 洞體其余部分支座反力計算結果單位：N

大角擴散段 穩定段 收縮段 試驗段

支座4 支座5 支座6 支座7 支座8 支座9

4265 6290.5 5151.5 1708.5 3814 4244.5

試驗段

支座10 支座11 支座12 支座13 支座14 支座15

4435 4491.5 4515 4545 4579 4807.5

試驗段 擴散段 出口擴散段

支座16 支座17 支座18 支座19 支座20 支座21

3684 3854.5 5945 6889 2214.5 6866.5

圖3 支座1反力

圖4支座2反力

圖5支座3反力

3．模態計算分析

風洞的動力變頻電機位于動力段內，其固定支座與動力段內的整流罩采用焊接形式聯結，使用過程中，動力電機不可避免地會將振動傳遞到動力段上，動力段的振動特性決定了自身對動力載荷的響應情況，所以需對動力段進行振動分析以使結構設計避免共振發生，結構實際具有多個固有頻率，在設計過程中需避免各階固有頻率與外界激振載荷頻率過于接近。將風洞簡化為無阻尼系統，其特征值問題方程為：

該系統有n個特征值，w 即為結構的第j階固有頻率， 為結構的第j階特征模態，對于風洞結構來說，我們最關心的是前幾階頻率和模態，提取動力段有限元計算的前十階固有頻率，計算結果如表4所示，動力變頻電機額定轉速n=920rpm，即激振頻率為920/60=15.33，除第一階頻率外，其余各階頻率遠大于激振頻率的1.5倍，因此只需提高動力段的一階頻率即可滿足結構在使用過程中不發生共振的條件。結構的變形可以由各振型的組合得到，位移矢量u定義為：

其中 是振型 的標量因子。

為查找致使結構一階頻率較低的薄弱環節，繼而有針對性地提出解決措施，將一階模態顯示出來，如圖6所示，從圖中可以看出，結構一階振型主要由整流罩的頭罩后方區域產生，這說明加強約束頭罩后端自由度可以有效提高一階頻率 ，因此采取的結構改進措施是放大頭罩支撐片的尺寸并且將頭罩支撐片向后端移動，這樣可以起到加強約束作用，提高一階頻率，避免共振情況發生。動力段與洞體其余部分采用柔性節聯結，而柔性節對于振動的傳遞有很大的消除作用，因此洞體其余部分受動力電機振動干擾較小，所以也就不需要對其進行模態分析。

表4 動力段的固有頻率HZ

階數 固有頻率 階數 固有頻率

1階頻率 18.29 6階頻率 74.19

2階頻率 40.94 7階頻率 79.71

3階頻率 42.75 8階頻率 88.96

4階頻率 52.11 9階頻率 91.86

5階頻率 64.58 10階頻率 101.82

圖6 動力段1階模態

4．剛強度計算分析

環境風洞是一座大型復雜的特殊形式風洞，設計過程中需要綜合考慮很多技術問題，這些問題中最首要的就是結構的剛強度問題，結構剛度一定程度上影響著試驗數據的精準度，而結構強度則決定著風洞試驗的安全性，因此風洞的剛強度分析決定了風洞的設計成敗，是設計過程中最重要的一個考量點。

本文對動力段及洞體其余部分分別作了剛強度分析，動力段的位移云圖如圖7所示，從云圖中可知動力段結構最大位移產生于整流罩頭罩的后面區域，數值約為0.158mm，從數值來看已經完全可以滿足試驗要求，如需進一步提高結構剛度，可以將頭罩支撐片向后方移動以加強約束，減小結構位移，應力云圖如圖8所示，從云圖可知最大應力產生于整流罩尾罩與止旋片的焊接處，數值約為35.85MPa，遠小于洞體主體結構材料的屈服強度。

圖7 位移云圖

圖8 應力云圖

洞體其余部分的位移云圖如圖9所示，從云圖中可知洞體結構最大位移產生于出口擴散段的上方區域，數值約為0.967mm，可見這部分洞體的剛度有待提高，可以采取在變形較大區域局部加強例如加T型筋板的方式提高對于這部分的約束，減小變形。結構的應力云圖如圖10所示，從云圖可知最大應力產生于出口擴散段的底部支撐處，數值約為21.7MPa，遠小于洞體主體結構材料的屈服強度。

圖9 位移云圖

圖10 應力云圖

5．結論

（1）支座布置位置合適，結構形式合理，能夠滿足地基的承載要求；

（2）動力段的固有頻率總體分布可行，但需按照計算結果進一步提高一階頻率；

（3）動力段剛強度特性分布合理，能夠滿足試驗需求，留有較大安全裕度；

（4）洞體其余部分結構強度可以滿足試驗需求，小區域變形略大，可采用局部加強方式提高剛度。

6.參考文獻

[1]李楚琳.HyperWorks分析應用實例[M].機械工業出版社.2008.9.

7.作者簡介

曲明（1981-），男，漢族，哈爾濱工程大學碩士研究生，中國航空工業空氣動力研究院機械技術部工程師，主要從事風洞結構設計、力學性能分析。