超大型连续式跨声速风洞地震安全分析

宿希慧+钱才富

摘要： 采用有限元法对某超大型连续式跨声速风洞进行地震安全分析。使用ANSYS建立整体结构模型并施加实际约束，为确保计算精度和计算效率，采用实体壳单元SOLIDSHELL进行网格划分；依据JB/T 4710—2005《钢制塔式容器》和仿真模态分析进行水平地震力计算；基于JB 4732—1995《钢制压力容器——分析设计标准》对风洞进行强度评定。计算结果表明：在地震载荷作用下，该风洞主体结构强度安全裕量较大，其结构形式合理可靠。

关键词： 跨声速风洞； 地震安全； 强度评定； 有限元

中图分类号： V211.753 文献标志码： B

Earthquake safety analysis of super-large continuous transonic-speed wind tunnel

SU Xihui， QIAN Caifu

（School of Mechanical and Electrical Engineering， Beijing University of Chemical Technology， Beijing 100029， China）

Abstract： The finite element method is performed on earthquake safety analysis of a super-large continuous transonic-speed wind tunnel.The structure model is built and the real constrains are applied by ANSYS.To ensure computational efficiency and accuracy， the SOLIDSHELL element is employed to mesh the model. The earthquake horizontal force is calculated according to JB/T 4710—2005 Steel vertical vessels supported by skirt and simulation modal analysis. The strength assessment of the tunnel is completed based on JB 4732—1995 Steel pressure vessels—design by analysis. The results show that the wind tunnel structure has large safety margin under seismic load and the structure is reasonable and reliable.

Key words： transonic-speed wind tunnel； earthquake safety； strength assessment； finite element

0 引 言

风洞主体结构是复杂的非常规压力容器，一般的常规设计不够精细，更无法进行疲劳分析，因此对风洞结构进行数值分析是风洞研究或工程设计中常见的方法。解亚军等[1]和董国庆等[2]分别对NF-6高速增压和FL-9低速增压风洞的主体结构进行有限元分析，得出其应力、应变和模态分析结果，通过与水压和气压试验结果对比，发现其应力计算值与实测值较为一致，同时模态分析也可以为风洞安全运行提供参考。陈万华等[3]以某风洞主体结构为研究對象，介绍在有限元分析过程中的模型简化原则和网格划分方法，得到静力学分析和模态分析结果，验证风洞主体结构满足要求。冯立静等[4]基于PATRAN/MSC NASTRAN提出一种对收缩段进行动应力分析的方法，检验某结冰风洞承受空气动力作用的能力。刘慧芳[5]基于Abaqus对某风洞动力段结构进行计算和分析，得出影响模型结构强度的关键因素，为动力段结构设计提供参考依据。陈振华等[6]则应用MSC NASTRAN对风洞大迎角机构进行分析，验证其结构形式合理可靠。王元兴等[7]以FL-26风洞扩散段为研究对象，通过有限元验证计算与分析，找到设备产生裂纹的原因并确定裂纹设备的改造方案。刘俊等[8]针对FL-24风洞整流锥多处焊缝开裂问题，通过有限元分析，增加内外筋板，提出整流锥结构的改进方案。研究表明，通过合理地选取单元类型、进行模型简化、处理边界约束等，得到的风洞有限元计算结果与实测值较为一致，从而保证进一步对风洞进行结构优化的可靠性。

鉴于风洞主体结构是一个大型复杂的非常规压力容器，采用有限元法对某超大型连续式跨声速风洞进行地震安全分析，并依据JB 4732—1995《钢制压力容器——分析设计标准》[9]进行强度评定。

1 风洞结构和设计参数

该超大型连续式跨声速风洞主体结构由驻室段、再入段、亚扩散段、第一拐角段-第二拐角段、低速扩散段、换热器段、第三拐角段-第四拐角段、稳定段组成。驻室段用于对模型进行测试；驻室段下游为再入段，作用是将气流引向风洞外或导回到风洞入口；亚扩散段的作用是降低流速、减少能量损失；驻室段上游为稳定段，作用是提高气流匀直度、降低湍流度。风洞主体总长度约为103.8 m，宽度约为43 m，驻室段直径为12 m。风洞整体结构见图1，设计参数见表1。

2 有限元分析模型建立

2.1 有限元模型

采用ANSYS进行压力容器分析设计。在地震分析中，为计算出结构的自振周期，必须建立整体模型并施加与实际约束一致的边界条件。由于风洞尺寸大且为板壳结构，为提高计算精度和计算效率，采用SOLIDSHELL实体壳单元进行网格划分。风洞几何模型见图2，有限元模型见图3。endprint

2.2 约束

根据风洞的实际结构和约束情况，对风洞有限元模型施加如下约束条件：在驻室下面前承力墙下端设置固定支座；在后承力墙下端、第二拐角段下端、第四拐角段下端和低速扩散段小端设置沿轴向的单导向支座；其他支座为滑动支座。

2.3 载荷

参考JB/T 4710—2005《钢制塔式容器》[10]计算水平地震力为

式中：α1为对应于塔式容器基本振型自振周期T1的地震影响因数（见图4）；m为设备集中质量，kg；g为重力加速度，取9.81 m/s2。

对风洞整体模型进行模态分析后得到结构的基本振型自振周期T1=0.467 s，大于风洞使用地的地震特征周期Tg=0.350 s。确定地震影响因数α1的计算公式为

式中：αmax为地震影响因数的最大值，依据该风洞所在地的抗震设防烈度为7度、设计基本加速度为0.1g，取αmax=0.08；η2为阻尼调整因数，γ为衰减因数，计算公式为

该设备的水平地震力F1=0.062mg，则风洞结构的地震水平加速度大小为0.062g。出于保守考虑，选择在刚度较小的垂直于驻室轴线的方向施加水平加速度，在各部段内施加大小为0.4 MPa的设计压力。

3 有限元分析结果和强度评定

风洞整体结构的应力强度分布见图5。

风洞是承受压力作用的密闭结构，其本质上是压力容器，而且由于体积很大，属于第Ⅲ类压力容器。关于压力容器的设计，目前有常规设计和分析设计2种方法，本文所涉及的风洞还要承受外压作用，外加强筋很多，无法进行常规强度计算，故依据JB 4732—1995《钢制压力容器——分析设计标准》对风洞进行强度评定。

JB 4732—1995依据应力对容器强度失效所起作用的大小，按照等强度设计原则对容器中的应力进行分类，具体判断依据为：（1）应力产生的原因；（2）应力的作用区域和分布形式。应力分为一次应力、二次应力和峰值应力，其中一次应力又分为一次总体薄膜应力、一次局部薄膜应力和一次弯曲应力。

按照该标准，强度评定采用应力强度作为参量，应力强度规定为最大剪应力的2倍。标准将应力强度分为5类，即一次总体薄膜应力强度SI，一次局部薄膜应力强度SII，一次薄膜应力加一次弯曲应力的应力强度SIII，一次薄膜应力加一次弯曲应力以及二次应力的应力强度SIV和峰值应力强度SV。

为求取应力强度值SI～SV，根据有限元计算结果，在构件不同部位，过危险应力点沿厚度作路径，进行应力线性化处理，得到薄膜应力强度、薄膜应力加弯曲应力强度及总应力强度，然后进行应力分类并得到SI～SV。对不同的应力强度给予不同的限制，进行强度评定。

该风洞结构非常复杂，要选取路径并进行强度评定的部位很多，包括远离结构不连续部位的整体部位和结构不连续部位。本文只对换热器段大开孔处强度进行评定，该部位应力强度分布见图6，大开孔连接处的路径见图7，应力强度及评定结果见表2。换热器大开孔结构处、开孔与筒体连接区域属于结构不连续部位，因此分别沿筒体厚度方向和接管厚度方向作应力线性化处理（分别对应图7中A路径和B路径）：此时薄膜应力强度为SⅡ；一次应力强度加二次应力强度之和即为SⅣ；开孔接管高度中间处沿接管厚度方向（图7中C路径）划分为SⅠ和SⅣ。

从表2可以看出，该连接部位强度有较大的安全裕量，事实上风洞其他部位也是如此。需要说明的是，该风洞还承受短期外压载荷，也应进行疲劳分析，但本文未作介绍。

4 结束语

对某连续式跨声速风洞进行地震安全分析，建立整体模型并施加与实际约束一致的边界条件计算结构的自振周期。由于风洞尺寸很大且为板壳结構，若采用常见的实体单元则会因单元和节点太多而无法计算。为此，采用SOLIDSHELL实体壳单元进行网格划分和计算，保证计算精度和计算效率。同时，鉴于风洞承受内压作用，属于第Ⅲ类压力容器，由于结构复杂，无法进行常规设计，因此依据JB 4732—1995《钢制压力容器——分析设计标准》进行分析设计，最终完成该超大型连续式跨声速风洞的地震安全分析，得到委托单位的认可。目前该风洞已在建设之中。

参考文献：

[1] 解亚军， 郭琦， 肖春生， 等. NF-6风洞洞体有限元计算与水压试验[J]. 实验流体力学， 2005， 19（2）： 110-114.

XIE Y J， GUO Q， XIAO C S， et al. FEM calculation and hydraulic test of NF-6 wind tunnel[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics， 2005， 19（2）： 110-114.

[2] 董国庆， 王仲仁， 胡传俊， 等. FL-9低速增压风洞主体结构有限元分析与气压试验[J]. 实验流体力学， 2007， 21（4）： 77-82.

DONG G Q， WANG Z R， HU C J， et al. FEM analysis and gas pressure intensity test of FL-9 low-speed compressed-air wind tunnel[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics， 2007， 21（4）： 77-82.

[3] 陈万华， 王超棋. 某风洞主体结构的有限元分析[J]. 实验流体力学， 2005， 19（3）： 90-93.

CHEN W H， WANG C Q. Finite element analysis on main body of a wind tunnel[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics， 2005， 19（3）： 90-93.endprint

[4] 冯立静， 张国友， 许国山， 等. 某结冰风洞有限元分析[J]. 低温建筑技术， 2012， 34（6）： 52-54.

FENG L J， ZHANG G Y， XU G S， et al. Finite element analysis of one icing wind tunnel[J]. Low Temperature Architecture Technology， 2012， 34（6）： 52-54.

[5] 刘慧芳. 基于Abaqus的大型风洞动力段结构有限元分析及研究[J]. 航空制造技术， 2014（8）： 94-97. DOI： 10.16080/j.issn1671-833x2014.08.022.

LIU H F. Finite element analysis and study on fan stage structure of large wind tunnel based on Abaqus[J]. Aeronautical Manufacturing Technology， 2014（8）： 94-97. DOI： 10.16080/j.issn1671-833x2014.08.022.

[6] 陈振华， 陈万华. 2.4 m风洞大迎角机构结构设计与有限元分析[J]. 实验流体力学， 2008， 22（4）： 84-88.

CHEN Z H， CHEN W H. Structure design and finite element analysis of high angle of attack mechanism in 2.4 m wind tunnel[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics， 2008， 22（4）： 84-88.

[7] 王元興， 陈万华， 杨兆宜， 等. FL-26风洞扩散段结构优化分析[J]. 计算机辅助工程， 2011， 20（2）： 95-99.

WANG Y X， CHEN W H， YANG Z Y， et al. Structure optimization and analysis on diffusion section of FL-26 wind tunnel[J]. Computer Aided Engineering， 2011， 20（2）： 95-99.

[8] 刘俊， 吴军强， 王涛. FL-24风洞整流锥结构有限元分析及改进[J]. 机械设计与研究， 2013， 29（2）： 129-132.

LIU J， WU J Q， WANG T. Finite element analysis and improvement for structure of rectifier cone in FL-24 wind tunnel[J]. Machine Design and Research， 2013， 29（2）： 129-132.

[9] 钢制压力容器——分析设计标准： JB 4732—1995[S].

[10] 钢制塔式容器： JB/T 4710—2005[S].endprint