單層球形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在風(fēng)場中的仿真研究*

□ 范景峰 □ 黃雙成 □ 梅二召 □ 薛笑運 □ 湯小寧

1.河南應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院 鄭州 450042 2.鄭州機(jī)械研究所新型釬焊材料與技術(shù)國家重點實驗室 鄭州 450001

1 研究背景

針對目前大型軍艦上雷達(dá)天線的保護(hù),提出一種新型大型天線雷達(dá)罩——單層球形網(wǎng)殼。單層球形網(wǎng)殼由多個三角框按照一定的規(guī)律組裝而成。三角框周邊是金屬桿件,三角框貼膜采用具有防水防老化的特殊材料,并在貼膜過程中產(chǎn)生一定的預(yù)張力,以提高單層球形網(wǎng)殼的穩(wěn)定性。單層球形網(wǎng)殼具有結(jié)構(gòu)簡單、剛性高、遮擋面積小等優(yōu)點,在航空航天、氣象衛(wèi)星天線、衛(wèi)星接收天線等方面有較廣的應(yīng)用[1]。

單層球形網(wǎng)殼直徑大多數(shù)為2～60 m不等,結(jié)構(gòu)向大跨度、大直徑、輕質(zhì)化等發(fā)展。由于單層球形網(wǎng)殼的應(yīng)用環(huán)境比較復(fù)雜[2],因此在設(shè)計過程中應(yīng)充分考慮載荷條件,并根據(jù)相應(yīng)的設(shè)計準(zhǔn)則進(jìn)行有效設(shè)計和試驗。不同單層球形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu),設(shè)計風(fēng)速不同,受到的風(fēng)載也不同,不同矢徑比對網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有重要影響。目前,大多數(shù)文獻(xiàn)針對典型形體空間結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載分布特性進(jìn)行研究,多為矢跨比對網(wǎng)殼的影響,很少有研究矢徑比對網(wǎng)殼的影響。

單層球形網(wǎng)殼處于風(fēng)載環(huán)境下,迎風(fēng)面是正壓,而在球面的部分區(qū)域,負(fù)壓將占主導(dǎo)地位。因此,球面整體風(fēng)壓分布十分復(fù)雜,如果僅僅考慮正壓影響,將會帶來嚴(yán)重的計算偏差,對單層球形網(wǎng)殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計產(chǎn)生直接影響。對此,筆者采用一種相對準(zhǔn)確的方法來確定球形網(wǎng)殼的分布及合理性[3-5]。

2 流場計算域

單層球形網(wǎng)殼由多個三角框按照一定的規(guī)律組合而成,每個三角框均用一定厚度的膜包覆起來,單層球形網(wǎng)殼外形基本趨近于理想球面。按照網(wǎng)殼尺寸,參考已有文獻(xiàn)[6-7],選取流場計算域長為325 m,寬為100 m,高為100 m。為了滿足阻塞率小于4%的要求,網(wǎng)殼安放在距風(fēng)向入口的1/3處,便于最大限度減小流場計算域?qū)W(wǎng)殼附近流場的干擾。理想球面的計算域及放置與單層球形網(wǎng)殼完全相同。單層球形網(wǎng)殼模型和理想球面模型如圖1所示。

▲圖1 計算模型

3 網(wǎng)格劃分

單層球形網(wǎng)殼的網(wǎng)格劃分類型很多,其中,網(wǎng)格劃分比較均勻、受力較為合理的有凱威特型和短程線型[8],凱威特型在工程實際中應(yīng)用最為廣泛。

理想球面采用C-BLOCK六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分[9],理想球面底部映射如圖2所示,理想球面映射如圖3所示。

▲圖2 理想球面底部映射▲圖3 理想球面映射

理想球面與單層球形網(wǎng)殼網(wǎng)格劃分結(jié)果見表1。

表1 網(wǎng)格劃分結(jié)果

4 FLUENT軟件求解計算

FLUENT軟件應(yīng)用于航空航天、汽車、機(jī)械等行業(yè),目前集成在ANSYS Workbench軟件中。FLUENT軟件多用于流場研究分析,特別對于復(fù)雜流動問題的研究,是比較專業(yè)和成熟的軟件[10]。經(jīng)過網(wǎng)格劃分,理想球面模型得到的網(wǎng)格質(zhì)量相對較高,將理想球面生成的網(wǎng)格經(jīng)ICEM軟件與FLUENT軟件之間的接口導(dǎo)入FLUENT軟件,對網(wǎng)格質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行檢測,網(wǎng)格中最小單元體體積大于0,基本符合網(wǎng)格劃分要求。

利用絕對速度方程壓力求解器,求解定常流動。通過對模型分析,采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程模型。材料選用默認(rèn)的固體鋁和流體空氣,對邊界條件進(jìn)行設(shè)置。入口速度為67 m/s,出口壓力設(shè)為0,壁面與球面均取默認(rèn)壁面設(shè)置。

壓力-速度耦合方式選用SIMPLE算法,梯度選擇Least squares cell based,壓力采用Standard格式,動量方程、湍流脈動能量、湍流耗散率采用一階迎風(fēng)格式,其它設(shè)置取默認(rèn)。選擇Inlet初始化流場,使整個流場中的初始狀態(tài)與邊界Inlet上的流場狀態(tài)基本相同,然后進(jìn)行迭代計算求解[11]。

5 求解結(jié)果分析

通過求解迭代計算,理想球面與單層球形網(wǎng)殼均能實現(xiàn)收斂,兩者的收斂曲線如圖4所示。單層球形網(wǎng)殼與理想球面風(fēng)場合力比較見表2。

▲圖4 收斂曲線

由圖4可知,理想球面模型迭代收斂速度明顯比單層球形網(wǎng)殼模型快。由表2可得,兩者的水平合力誤差不大于7.7%,豎直提升力誤差小于1%。

表2 風(fēng)場合力比較 kN

風(fēng)壓是垂直于氣流方向的平面所受到的風(fēng)的正壓力[12]。在實際環(huán)境中,單層球形網(wǎng)殼和理想球面均受到風(fēng)壓的影響,因此研究單層球形網(wǎng)殼和理想球面在現(xiàn)實環(huán)境中所受的風(fēng)壓是必要的。由伯努利方程得到用風(fēng)速估計風(fēng)壓的通用公式為:

P=v2/1 600

(1)

式中:P為風(fēng)壓,kPa;v為風(fēng)速,m/s。

通過計算,單層球形網(wǎng)殼在67 m/s風(fēng)速下的風(fēng)壓為2.81 kPa。

由FLUENT軟件的求解計算結(jié)果得出理想球面表面的風(fēng)壓分布,如圖5所示。理想球面、單層球形網(wǎng)殼,以及采用式(1)計算得到的正壓對比見表3。

▲圖5 理想球面表面風(fēng)壓分布

表3 正壓對比 kPa

由圖5及表3可知,理想球面模型與單層球形網(wǎng)殼模型的正壓最大誤差不大于3.3%。可見,用理想球面代替單層球形網(wǎng)殼進(jìn)行FLUENT軟件求解是可行的。

6 流固耦合分析

網(wǎng)殼的流固耦合分析包括流體與固體分析。結(jié)合流體部分的研究情況,可以采用單向流固耦合技術(shù),將已分析的流體求解結(jié)果傳遞到單層球形網(wǎng)殼的固體結(jié)構(gòu)中進(jìn)行分析。

通過求解計算,理想球面風(fēng)場與單層球形網(wǎng)殼流固耦合、單層球形網(wǎng)殼自身流固耦合分析的最大組合應(yīng)力比較見表4。

由表4可知,單層球形網(wǎng)殼模型自身耦合的最大組合應(yīng)力值略大于理想球面與單層球形網(wǎng)殼模型耦合的值,差值為12.4 MPa,誤差小于5%。兩種耦合產(chǎn)生誤差的原因是理想球面忽略了單層球形網(wǎng)殼各節(jié)點之間的連接,用理想節(jié)點進(jìn)行分析。可見,采用理想球面代替單層球形網(wǎng)殼分析風(fēng)場是可行的。

表4 最大組合應(yīng)力比較 MPa

7 不同矢徑比影響

矢徑比是單層球形網(wǎng)殼矢高與其直徑的比值[13]。取矢徑比為20/40、22/40、24/40、26/40、28/40、30/40、32/40、34/40、36/40九種情況,研究不同矢徑比對單層球形網(wǎng)殼風(fēng)場合力的影響。

不同矢徑比下水平合力的變化如圖6所示,不同矢徑比下豎直提升力變化如圖7所示。其中,水平合力是正值,豎直提升力是負(fù)值,正值代表風(fēng)壓力,負(fù)值代表風(fēng)吸力。

▲圖6 不同矢徑比下水平合力變化▲圖7 不同矢徑比下豎直提升力變化

從分析結(jié)果可以看出,隨著矢徑比增大,單層球形網(wǎng)殼水平合力呈增大趨勢,豎直提升力先增大后減小,兩者的絕對值大小越來越接近。單層球形網(wǎng)殼水平合力增大,原因是隨著單層球形網(wǎng)殼直徑及矢徑比增大,單層球形網(wǎng)殼受力面積增大,使風(fēng)經(jīng)過的受力面積增大。根據(jù)分析結(jié)果可得,水平合力隨著矢徑比的增大而增大。因此,單層球形網(wǎng)殼水平方向的地基需要設(shè)計得更為牢固。隨著矢徑比的增大,水平合力與豎直提升力的絕對值越來越接近。

8 結(jié)束語

筆者通過流場分析及結(jié)構(gòu)場分析[14-15],驗證了理想球面代替單層球形網(wǎng)殼的可行性。利用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分的方法,較易獲得理想的六面體網(wǎng)格,在保證計算精度的前提下,提高計算效率。

通過仿真分析,單層球形網(wǎng)殼風(fēng)載合力在矢徑比相同的情況下,豎直提升力大于水平合力。實際環(huán)境中,單層球形網(wǎng)殼的地腳螺栓受拉彎組合力,需進(jìn)行專門設(shè)計與嚴(yán)格校核。

通過不同矢徑比單層球形網(wǎng)殼分析可知,隨著矢徑比增大,水平合力逐漸增大,豎直提升力先增大后減小,兩者的絕對值大小越來越接近。因此,在進(jìn)行單層球形網(wǎng)殼設(shè)計時,在允許的情況下,盡量選用較大的矢徑比。