亚音速壁板颤振模型设计及风洞试验技术

施海健，杨翊仁，龚 庆，范晨光

(西南交通大学力学与工程学院，成都 610031)

由于高速列车车体采用流线形设计以最大程度地减小空气阻力，因此在高速列车车体中存在着大量的蒙皮等壁板结构［1］。随着高速列车的不断提速，低速运行时被合理忽略的气动力将成为影响列车高速行驶安全的主要因素［2］。现阶段对于壁板结构的研究主要集中在超音速领域。对于亚音速壁板，尤其是对应于高速列车运行马赫数为0.3左右的低亚音速壁板，国内外的研究还比较少见。Li Peng等［3］从理论上研究了基于微分求积法的弹性板在亚音速流中的稳定性。然而，利用模型风洞实验方法对亚音速壁板系统进行研究的工作极为鲜见，仅有少数试验验证了对边简支板可在马赫数为0.125时发生颤振［4］。因此，有必要对这一问题进行深入研究。本文采用模型风洞试验的方法对亚音速壁板的气动弹性特性进行研究，以期拓展亚音速壁板气动弹性特性的研究方法。

1 亚音速壁板低速颤振模型设计

1.1 二维亚音速壁板颤振模型

实际列车上使用的壁板结构大多为型材。列车运行的速度为300～400 km/h，而且高速列车壁板不仅受气动力激励，还受轮轨激扰作用影响，因而其响应会比较明显。文献［5－6］研究了外激励作用下和参数激励下系统的响应。考虑到试验风洞的最大风速为45 m/s，且除气动力之外的激励可以忽略，还要使壁板模型有较明显的便于观察、测量的振动。依据理论计算，设计了如表1所示的几种二维悬臂支承壁板模型，探讨了不同长宽比对壁板二维特性的影响。二维壁板模型设计有2个要素必须满足:一是壁板变形呈现二维特性;二是壁板单侧受流，另一侧流体相对保持静态。

对于壁板的二维特性，本文采用大长宽比模型来实现(参见表1)。为了实现壁板模型的单侧受风，本文设计了如图1所示的导流装置。该装置由一个近似封闭的空腔构成，其前导流面与前缓冲区域可以保证流场在受大的扰动后流经壁板模型处仍为均匀流场，而后导流面与后缓冲区可以使壁板模型避开尾流的影响。装置背面完全密闭。壁板模型的左端用平头螺钉固定，右端与上、下侧均自由。为避免壁板模型横向振动受影响，壁板模型与导流面之间留有2 mm间隙，从而模拟二维悬臂薄板情况。整个装置相对密闭，可以用来模拟壁板模型单侧受均匀气流作用。

图1 导流装置示意图

表1 壁板模型尺寸与理论计算

1.2 模型支架的设计及安装位置

模型支架的设计要求对流场的扰动尽量小，受来风激励后导流装置产生的响应可以忽略。基于上述原则，支架借鉴篮球架子的设计，由60 mm×60 mm×4 mm的箱型钢焊接而成，在保证导流装置处于风洞口正中间的情况下，尽量使支架远离洞口。模型支架三视图如图2所示。同时，把支架焊接在长1 200 mm，宽600 mm，厚10 mm的钢板上，再把钢板固定在试验台上。鉴于整个支架的迎风面很小，因而相对于气流作用而言，其刚度已足够大，导流装置几乎不动。

图2 模型支架三视图

2 模型风洞试验方法

本文采用非接触式动态数据采集方法，利用Polytec激光测振仪采集数据，对壁板模型的中点进行响应数据采集，测振仪及响应测点位置如图3所示。进行风洞试验时，首先调试设备，确保激光能打在模型壁板中点处，且有良好的信号反馈。之后，在风洞控制台上选用手动挡调节风速，慢慢转动旋钮，同时注意控制台屏幕上风速的变化。在风速达到10 m/s之后，速度每增加1 m/s观察壁板模型的气动弹性响应特性，直到壁板出现等幅振动为止。而后采用DASYLab软件进行分析。分析系统如图4所示。对于某一特定风速，壁板模型的气动弹性响应特性可以从虚拟系统绘制的频谱图中得出，从而判断壁板模型所处的运动状态。

图3 Polytec激光测振仪及响应测点位置

图4 虚拟测试分析系统

3 试验结果与分析

从风洞试验结果来看，壁板模型的长宽比大于10时的二维特性较好。下面仅就长宽厚分别为450、40、0.4 mm的不锈钢壁板模型的风洞试验结果进行讨论。由数值分析得知，颤振临界速度为18.1 m/s。试验得到的频谱图如图5、6所示。

图5 风速为19.0 m/s的频谱图

图6 风速为21.0 m/s的频谱图

从图5可以看出:当风速为19.0 m/s时，壁板模型总体处于稳定状态。图6显示，当风速为21.0 m/s时频谱图中出现单峰值。由此可以断定，在此风速下壁板模型发生了颤振。理论分析得到的颤振临界速度值与风洞试验得到的临界颤振速度的相对误差为13.8%。产生误差的原因很多，主要有以下3点:①壁板模型与空腔之间存在间隙，壁板振动时会扰动空腔内的气体，从而在壁板下游区域形成尾流扰动;② 悬臂二维壁板的固支端是由4个平头螺钉固定的，这种连接方式不能构建绝对的固定端，导致支承刚度减弱;③在吹风时，由于壁板模型一侧受流，受流面的压强比不受流面的压强要小，使得悬臂壁板的平衡位置发生偏移，进而使壁板模型与来流之间存在一定的攻角。

尽管颤振临界速度的理论值与试验实测值存在一定的误差，但这个误差是在可接受的范围之内。总体上看，试验结果真实可信。

4 结论

本文对亚音速二维壁板颤振模型进行了合理设计，采用非接触式动态数据采集方法，探索了风洞试验数据采集技术，并利用DASYLab专业软件进行处理，观察到了壁板模型的颤振现象，得到如下结论:

1)壁板模型的长宽比宜在10左右，过长易受外界扰动影响，过短则不能良好体现壁板的二维特性。

2)采用平缓弧面与一定的缓冲区域可以使流场受到强扰动后恢复均匀。不可忽略尾流的影响，因而要使用距试验区一定距离的弧面来尽可能降低尾流对试验区的扰动。

3)壁板模型较薄，因而小扰动即可在自由端产生大的响应，故而宜对壁板模型的中部进行非接触式数据采集，以降低误差。

［1］李鹏，杨翊仁，鲁丽.激励作用下亚音速二维壁板的复杂响应研究［J］.计算力学学报，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.