某环境风洞主体结构的有限元分析

曲明 张国友 徐辉 闫洪囡

摘要：本文所研究风洞为薄壁结构，由于风洞的刚强度特性、振动特性、支座结构形式对于试验安全、数据精准度及基础施工均有一定影响，因此对风洞主体结构进行了有限元分析，获得了静力学及模态分析结果，结果表明风洞支座结构形式合理，位置适当，能够满足地基承载要求，洞体刚强度特性及振动特性较好，但应对部件局部进行进一步优化。

关键词：风洞；刚强度；模态；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

環境风洞能够模拟污染物在大气中的迁移扩散，随着辐射防护技术及风洞试验技术的不断提高，目前越来越多采用风洞试验手段来开展污染物迁移扩散规律的研究。该风洞采用直流下吹式风洞构型，由动力段、大角扩散段、稳定段、收缩段、试验段、扩散段及出口扩散段等部分组成，支撑于40个支座上。洞体为薄壳加T型筋板的结构形式，洞体、整流罩、支撑片、止旋片、筋板及支座均为焊接联结，为减弱动力段在风洞运行时对于洞体其它部分的振动影响，两者之间采用柔性节联结。

风洞运行时，风洞重量及所受载荷通过支座传递到风洞地基上，因此有必要对支座的布置位置进行合理优化，使土建基础载荷能够满足风洞承载要求。由于动力电机位于动力段，因此需对动力段进行振动特性分析，通过计算结果优化结构，加强薄弱环节，避免共振现象发生。另外由于洞体为薄壁结构，刚度差，从使用安全和试验数据精度两方面考虑，还需计算洞体的刚强度，基于以上各方面需求，我们对风洞主体结构进行了有限元分析，通过计算结果验证了总体结构设计的合理性，对于局部需改进地方依据计算结果提出了有针对性的改进措施。

本文采用有限元分析软件Hyperworks集成平台的前处理工具Hypermesh和内置解算器OptiStruct对于环境风洞主体结构进行了有限元分析。

1．建立有限元计算模型

有限单元法通过节点进行力的传递，由于动力段和大角扩散段采用柔性节联结，二者之间没有力的传递，所以分别建立动力段和洞体其它部分的有限元计算模型。

由于洞体主体结构均为薄壳形式，所以应用壳体单元来进行模拟，采用有限个单元的组合体来替代原结构的连续体，这就存在着近似度的问题，随着网格的加密和单元尺寸的缩小，有限元模型和原结构的吻合度将越来越高，综合考虑计算精度及计算规模，通过不断调整网格密度，对比不同计算结果，最终动力段共划分单元63705个，洞体其它部分共划分单元215359个。在划分相邻部件网格时，相邻单元尺寸要尽量接近，以免集成时刚度矩阵元素的大数和小数相加减，造成计算精度的损失，网格划分完毕后，使用Hypermesh内置工具对单元质量进一步检查，保证了有限元模型的计算准确性，动力段及洞体其它部分的有限元计算模型分别如图1，图2所示。

图1 动力段有限元计算模型

图2 洞体有限元计算模型

2．支座反力计算分析

该风洞是一座低速风洞，试验时的风速一般小于20m/s，内外压差最大处为750Pa，相对于洞体自重可以忽略，因此在进行静力学分析时仅考虑洞体主体的重量，风洞主体及筋板等结构材料均采用Q235，材料属性如表1所示，为获得每个支座的总载荷，在各个支座与地面接触处建立基于多点约束方程的刚性单元，动力段支座反力计算结果如表2所示，洞体支座反力结果如表3所示，沿风洞竖直中面对称位置布置的支座使用同一编号，因此风洞主体结构的40个支座共有21组计算结果，按照从动力段到出口扩散段的顺序命名支座，由于篇幅所限，仅将动力段3组支座反力的计算结果云图列出，分别如图3，图4，图5所示，从计算结果可知，土建地基承载能力完全能够满足风洞的使用需求。

表1 材料属性

材料 弹性模量E(Pa) 泊松比u 密度P (kg/ )

Q235 2.06E+11 0.3 7850

表2 动力段支座反力计算结果 单位：N

支座1 支座2 支座3

3507.5 16090 4234.5

表3 洞体其余部分支座反力计算结果单位：N

大角扩散段 稳定段 收缩段 试验段

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

试验段

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

试验段 扩散段 出口扩散段

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

图3 支座1反力

图4支座2反力

图5支座3反力

3．模态计算分析

风洞的动力变频电机位于动力段内，其固定支座与动力段内的整流罩采用焊接形式联结，使用过程中，动力电机不可避免地会将振动传递到动力段上，动力段的振动特性决定了自身对动力载荷的响应情况，所以需对动力段进行振动分析以使结构设计避免共振发生，结构实际具有多个固有频率，在设计过程中需避免各阶固有频率与外界激振载荷频率过于接近。将风洞简化为无阻尼系统，其特征值问题方程为：

该系统有n个特征值，w 即为结构的第j阶固有频率， 为结构的第j阶特征模态，对于风洞结构来说，我们最关心的是前几阶频率和模态，提取动力段有限元计算的前十阶固有频率，计算结果如表4所示，动力变频电机额定转速n=920rpm，即激振频率为920/60=15.33，除第一阶频率外，其余各阶频率远大于激振频率的1.5倍，因此只需提高动力段的一阶频率即可满足结构在使用过程中不发生共振的条件。结构的变形可以由各振型的组合得到，位移矢量u定义为：

其中 是振型 的标量因子。

为查找致使结构一阶频率较低的薄弱环节，继而有针对性地提出解决措施，将一阶模态显示出来，如图6所示，从图中可以看出，结构一阶振型主要由整流罩的头罩后方区域产生，这说明加强约束头罩后端自由度可以有效提高一阶频率 ，因此采取的结构改进措施是放大头罩支撑片的尺寸并且将头罩支撑片向后端移动，这样可以起到加强约束作用，提高一阶频率，避免共振情况发生。动力段与洞体其余部分采用柔性节联结，而柔性节对于振动的传递有很大的消除作用，因此洞体其余部分受动力电机振动干扰较小，所以也就不需要对其进行模态分析。

表4 动力段的固有频率HZ

阶数 固有频率 阶数 固有频率

1阶频率 18.29 6阶频率 74.19

2阶频率 40.94 7阶频率 79.71

3阶频率 42.75 8阶频率 88.96

4阶频率 52.11 9阶频率 91.86

5阶频率 64.58 10阶频率 101.82

图6 动力段1阶模态

4．刚强度计算分析

环境风洞是一座大型复杂的特殊形式风洞，设计过程中需要综合考虑很多技术问题，这些问题中最首要的就是结构的刚强度问题，结构刚度一定程度上影响着试验数据的精准度，而结构强度则决定着风洞试验的安全性，因此风洞的刚强度分析决定了风洞的设计成败，是设计过程中最重要的一个考量点。

本文对动力段及洞体其余部分分别作了刚强度分析，动力段的位移云图如图7所示，从云图中可知动力段结构最大位移产生于整流罩头罩的后面区域，数值约为0.158mm，从数值来看已经完全可以满足试验要求，如需进一步提高结构刚度，可以将头罩支撑片向后方移动以加强约束，减小结构位移，应力云图如图8所示，从云图可知最大应力产生于整流罩尾罩与止旋片的焊接处，数值约为35.85MPa，远小于洞体主体结构材料的屈服强度。

图7 位移云图

图8 应力云图

洞体其余部分的位移云图如图9所示，从云图中可知洞体结构最大位移产生于出口扩散段的上方区域，数值约为0.967mm，可见这部分洞体的刚度有待提高，可以采取在变形较大区域局部加强例如加T型筋板的方式提高对于这部分的约束，减小变形。结构的应力云图如图10所示，从云图可知最大应力产生于出口扩散段的底部支撑处，数值约为21.7MPa，远小于洞体主体结构材料的屈服强度。

图9 位移云圖

图10 应力云图

5．结论

（1）支座布置位置合适，结构形式合理，能够满足地基的承载要求；

（2）动力段的固有频率总体分布可行，但需按照计算结果进一步提高一阶频率；

（3）动力段刚强度特性分布合理，能够满足试验需求，留有较大安全裕度；

（4）洞体其余部分结构强度可以满足试验需求，小区域变形略大，可采用局部加强方式提高刚度。

6.参考文献

[1]李楚琳.HyperWorks分析应用实例[M].机械工业出版社.2008.9.

7.作者简介

曲明（1981-），男，汉族，哈尔滨工程大学硕士研究生，中国航空工业空气动力研究院机械技术部工程师，主要从事风洞结构设计、力学性能分析。