方艙抗風性能模擬載荷試驗和仿真方法研究

錢思宇，湯俊，程德鵬，郭武生

（1.工業和信息化部電子第五研究所華東分所，蘇州 215129；2.南京賽寶工業技術研究院有限公司，南京 210031）

引言

隨著方艙裝備的發展和多場景應用需求，其使用環境日趨復雜多變，抗風性能是其一項基本指標，要求在規定的風力條件下能正常展開作業。該類裝備以擴展方艙最為典型，對其進行抗風性能試驗必不可少。抗風性能試驗是考核產品在實驗室模擬風載荷條件下對被試品施加均勻風荷載，對被試品的變形情況及連接固定等整體進行評估，分為靜態風荷載與動態風荷載兩種方式。但國內大型風洞實驗室極為稀缺，在試驗資源有限的情況下，采用模擬載荷的方式開展試驗和仿真具有較強的實用性和經濟性。本文探討的是方艙抗風性能模擬載荷試驗和仿真方法。

1 試驗方法

1.1 風洞試驗

風洞是空氣動力學試驗的常用設備，在管道系統內使用電機裝置產生穩定氣流，模擬實物在大氣中靜態使用、動態行駛或空中飛行的試驗裝置[1]。

風洞試驗是將裝備模型或實物固定在風洞設備地面，制造一定強度的氣流通過，以此模擬自然環境復雜的氣流狀態，獲取試驗數據[2]。這是現代地面、空中、海上等裝備研制定型和生產的關鍵試驗項目。目前我國最大的風洞實驗室位于川西山區的中國空氣動力發展與研究中心，另外還有幾所高校建設有風洞實驗室[3]。總的來講，國內風洞試驗資源較為稀缺，試驗費用、人力、運輸等綜合成本耗費較高。

1.2 模擬載荷試驗

隨著方艙應用領域的擴大，對抗風性能試驗的需求量日益增長，面對風洞試驗資源稀缺和試驗成本較大的矛盾，一種有效的模擬載荷抗風性能試驗方法更具有實用性和經濟性。

模擬載荷試驗的試驗程序是[4]：

1）試驗前準備

試驗前準備分為試驗場地環境和方艙被試品兩個方面，試驗場地地面應為平坦的混凝土地面，試驗場地的風速不應大于3 m/s；方艙被試品按實際工作狀態放置于試驗場地，調至水平狀態，并按其技術文件的規定，全部上裝設備和附屬設備安裝齊全，或均勻布置裝載至最大總質量。

2）初始檢查

試驗前應檢查方艙被試品外觀、調平機構和升降機構的完好性。

3）試驗實施

①在方艙一側上部兩個角件上各施加一個水平拉力，該拉力與地面距離乘積的2倍等于方艙一側幾何中心部位的作用力與地面距離的乘積，幾何中心部位的作用力相當于風載荷的作用力。

②方艙置于地面系固，施加相當于風速40 m/s的力，作用時間15 min；施加相當于風速60 m/s的力，作用時間lmin；

③升降機構將方艙升至最大高度，施加相當于風速17 m/s的力，作用時間為15 min；施加相當于風速25 m/s的力，作用時間為lmin。

④風速換算為作用力按公式進行計算：

式中：

W—方艙的風載荷，單位N；

K—狀態系數，系固狀態時K=0.064，升降狀態時K=0.929；

ρ—空氣密度，ρ=1.226 kg/m3；

V—風速，m/s；

A—方艙的迎風面積，m2。

⑤）試驗時應在方艙任一端面上設置一個鉛垂吊線，觀察方艙傾斜的角度。

4）最后檢查

檢查升降機構有無變形和結構損壞，試驗期間艙體有無傾覆。另外，還需檢查是否出現下列缺陷：

①方艙的艙板、艙門及試驗樣件的脫層、空洞、翹曲、損壞和永久變形[5]；

②門、窗及孔口蓋板等活動部件開關不靈活或閉鎖不可靠，鎖止和限位機構不正常；

③涂層、密封、連接、焊接等部位的膨脹、開裂、脫落；

④芯材二次發泡導致的夾芯板變形；

⑤金屬件的銹蝕或鍍層脫落；

⑥安裝件、緊固件的彎曲、松動、移位或損壞[6]；

⑦角件、角形件及滑橇等部位的變形、裂紋或損壞；

⑧其他缺陷。

1.3 有限元仿真試驗

模擬載荷試驗可以有效解決風洞試驗資源短缺的問題，但模擬載荷試驗只能在設計后期進行。在設計初期數字原理樣機階段，可以引入有限元仿真試驗方法，通過計算機軟件建立產品的數字樣機模型開展仿真，發現產品的設計薄弱環節，全面暴露產品設計缺陷，并針對薄弱環節和缺陷進行設計改進，提升產品的可靠性水平，降低設計成本。

2 應用案例

2.1 地面系固方艙

以CF60方艙平原地區抗風試驗為例，要求在8級風力條件下能正常作業。依據上述模擬載荷試驗方法，計算方艙的風載荷，該型方艙無升降裝置，按地面系固狀態取狀態系數K為0.664；空氣密度按標準條件下取P為1.29 kg/m3；依據風力對照表，取8級大風對應最大風速V為20.7 m/s[7]；依據CF60方艙標準尺寸6 058 mm×2 438 mm×2 438 mm計算最大迎風面面積A為14.77 m2。

計算方艙最大迎風面幾何中心部位的作用力：

分別在迎風面側上部兩個角件上各施加一個水平拉力，作用時間15 min。該拉力與地面距離乘積的2倍等于方艙一側幾何中心部位的作用力與地面距離的乘積，折算出2個角件的水平拉力：

針對地面系固方艙，根據模擬載荷試驗條件建立有限元仿真試驗的邊界條件如圖1所示，設置重力方向為垂直地面方向（圖中-Y方向），在方艙角件位置分別建立大小為1 355.25 N的水平拉力，通過仿真計算，方艙的角件在水平拉力作用下的的水平位移為1.714 e-3 mm，等效應力為0.139 65 MPa，分別如圖2與圖3所示，滿足產品使用要求。

圖1 地面系固方艙有限元仿真試驗邊界條件

圖2 地面系固方艙Z方向位移分布云圖

圖3 地面系固方艙等效應力分布云圖

2.2 升降方艙

以CF40升降方艙高原地區抗風試驗為例，要求在8級風力條件下能正常作業。依據上述模擬載荷試驗方法，計算方艙的風載荷，該型方艙具有升降裝置，按升降狀態取狀態系數K為0.929；空氣密度按標準條件下取P為0.81 kg/m3；依據風力對照表，取8級大風對應最大風速V為20.7 m/s[7]；依據CF40方艙標準尺寸4 012 mm×2 438 mm×2 000 mm計算最大迎風面面積A 為 8.02 m2。

計算方艙最大迎風面幾何中心部位的作用力：

分別在迎風面側上部兩個角件上各施加一個水平拉力，作用時間15 min。該拉力與地面距離乘積的2倍等于方艙一側幾何中心部位的作用力與地面距離的乘積，折算出2個角件的水平拉力：

針對升降方艙，根據模擬載荷試驗條件建立有限元仿真試驗的邊界條件如圖4所示，設置重力方向為垂直地面方向（圖中-Y方向），在方艙角件位置分別建立大小為646.48 N的水平拉力，通過仿真計算，方艙的角件在水平拉力作用下的的水平位移為0.103 04 mm，等效應力為15.405 MPa，分別如圖5與圖6所示，滿足產品使用要求。

圖4 升降方艙有限元仿真試驗邊界條件

圖5 升降方艙Z方向位移分布云圖

圖6 升降方艙等效應力分布云圖

3 試驗應用裝置

抗風性能模擬載荷試驗裝置，在行業內習慣稱為拉力機，實際上也就是拉力試驗機。試驗機由拉力控制傳感器、變形控制傳感器、數字顯示控制器、液壓泵、鋼絲拉繩、滑輪行程機構等組成，試驗裝置示意圖見圖7。

圖7 試驗裝置示意圖

該試驗裝置使用步驟：

1）將拉力機各連線連接正確，確認無誤后，接通電源；

2）旋轉電源開關按鈕，系統通電，試驗機可以運行；

3）預熱液壓泵30 min；

4）打開控制器計算機，設置試驗機拉力值；

5）安裝拉力繩，調節滑輪行程機構橫梁到合適位置，使拉力繩保持水平；

6）調整拉力傳感器和變形傳感器的零點和位移清零；

7）核對控制過程無誤后，按下控制板的“開始”按鈕，試驗開始；

8）使用引伸計時，當變形達到試驗方案設置的引伸計切換點時，控制器將會有鳳鳴提示，試驗機進入力保持狀態，此時卸除引伸計，然后關掉控制器提示，試驗繼續進行，也可以通過觀察試驗曲線，在設定的引伸計切換點到前，手動切換引伸計，此時切換點將不再作用；

9）試驗結束，在下面幾種情況下系統將停機：人工干預，按下“停止”按鈕；負荷過載保護，負荷超過過載保護上限；系統判斷被試品破型；

10）做完實驗后關閉控制器，關閉試驗機主機電源。

4 結束語

本文基于方艙抗風性能試驗需求，在闡述風洞試驗方法及國內試驗資源的基礎上，探討了更具實用性和經濟性的模擬載荷試驗和仿真方法，分析了地面系固方艙在平原地區及升降方艙在高原地區兩種應用實例，得出規定抗風指標下對應的模擬載荷值及仿真結果，最后介紹了一種模擬風力載荷試驗裝置及其使用方法。本文研究的內容和應用案例對同類產品抗風性能試驗具有參考意義。