基于懸索的阻尼網周邊受力分析

陳建兵，申　江，鮑祿強，榮　超

(中國空氣動力研究與發展中心，四川　綿陽　621000)

0　引言

風洞是根據運動的相對性和相似性原理進行各種氣動力試驗的設備[1]，在空氣動力學研究、高層建筑設計、汽車設計、飛行器研制等領域得到大量應用。為了在風洞試驗段內獲取試驗所需的高品質流場，通常的做法是通過在風洞穩定段內安裝若干層阻尼網進行整流[2]。阻尼網傳統的校核計算多采用懸索公式對網絲進行強度計算，計算時將1 m寬網的網絲作為一根懸索[3-4]。

傳統的暫沖式跨超聲速風洞啟動時，氣流對阻尼網的沖擊較大，網子容易損壞，因此新設計的暫沖式跨超聲速風洞多采用彈性拉網機構。由于彈性拉網機構中彈簧的作用，阻尼網在氣動載荷作用下兩端不是固定不動的，而會發生位移，因此，若按兩端為固定的懸索理論分析具有彈性拉網機構的阻尼網，會有一定的誤差。針對此，本文基于在暫沖式跨超聲速風洞中應用的具有彈性拉網機構的阻尼網結構建立懸索模型，并對周邊受力進行分析。

1　具有彈性拉網機構的阻尼網

具有彈性拉網機構的阻尼網周邊布置有若干組拉網機構，為了固定這些機構，在周邊的風洞洞體上設置了相應數量的支承結構，并通過在機構內設置彈簧有效地增強了機構的緩沖性能。阻尼網結構簡圖如圖1所示。

2　建立懸索模型

在均布氣動載荷作用下具有彈性拉網機構的阻尼網可簡化為在氣動力作用下兩端能彈性伸縮的懸索。對于水平布局型式的風洞，其阻尼網的變形方向為水平方向，與重力方向垂直；阻尼網的變形主要是由氣動力引起的，因此可不考慮重力對阻尼網變形的影響。設兩端彈簧中心之間的距離為l，處于流場內的阻尼網直徑為D，懸索在氣動力作用下引起的彈簧壓縮量為l0，不考慮其他結構的重量、摩擦及變形，也不考慮定滑輪半徑的影響，則平衡時若不計應變引起的伸長，懸索的長度為l+2l0。因此，懸索模型可等效為固定于A(0,0)、B(l,0)兩點，無應力長度為l+2l0的懸索在氣動力作用下的平面變形，如圖2所示。圖2中，F為阻尼網周邊的張力，H為阻尼網周邊的水平力。

圖1　阻尼網結構簡圖

圖2　懸索模型

3　懸索上的氣動力

3.1　作用于阻尼網的氣動力

設阻尼網處的氣流速度為v，網的損失系數為Cp，氣流密度為ρ，氣流方向平行于風洞軸線，網安裝部位的流道截面積為S，則作用在阻尼網上的氣動力Q為:

Q=Cpq0S.

(1)

阻尼網在周邊處單位長度上的軸向力P為[5]：

(2)

3.2　懸索上的等效載荷

取阻尼網周邊上單位弧長對應的網面作為懸索分析對象(見圖3)，根據合力等效的原則，將該區域網面簡化為長度為D的矩形區域，則沿D的均布載荷q為：

(3)

4　懸索成型曲線

如圖2所示，將懸索分為AA1、A1B1和B1B三段，并分別取其中一段懸索微元1～2(見圖4)作為分析對象。

圖3阻尼網分析單元圖4懸索微元示意圖

由平衡條件∑Fx=0可得：H1=H2=H；由平衡條件∑Fy=0可得：

H2tanθ2-H1tanθ1=qdx.

(4)

由式(4)變換整理得[6]：

(5)

式(5)是一個拋物線微分方程。

對于AA1和B1B段，因q=0，所以這兩段均為直線段。因此，整個懸索的曲線方程為：

(6)

其中：C1～C6為待定系數。

(7)

5　懸索周邊張力

(8)

對于阻尼網來講，通常由氣動給出其在氣動載荷作用下的最大允許撓度，即f為已知，故由式(8)可以求出水平力H：

(9)

進而可得懸索A、B兩端處的張力FA和FB：

(10)

6　結語

本文采用懸索分析方法分析了安裝有彈性拉網機構的阻尼網，經分析可以看出：

(1) 阻尼網的成型曲線為直線—拋物線—直線，與經典的拋物線[7]或懸鏈線[8]成型曲線不同。

參考文獻：

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