宿希慧+錢才富

摘要： 采用有限元法對某超大型連續(xù)式跨聲速風洞進行地震安全分析。使用ANSYS建立整體結(jié)構(gòu)模型并施加實際約束，為確保計算精度和計算效率，采用實體殼單元SOLIDSHELL進行網(wǎng)格劃分；依據(jù)JB/T 4710—2005《鋼制塔式容器》和仿真模態(tài)分析進行水平地震力計算；基于JB 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設計標準》對風洞進行強度評定。計算結(jié)果表明：在地震載荷作用下，該風洞主體結(jié)構(gòu)強度安全裕量較大，其結(jié)構(gòu)形式合理可靠。

關鍵詞： 跨聲速風洞； 地震安全； 強度評定； 有限元

中圖分類號： V211.753 文獻標志碼： 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

風洞主體結(jié)構(gòu)是復雜的非常規(guī)壓力容器，一般的常規(guī)設計不夠精細，更無法進行疲勞分析，因此對風洞結(jié)構(gòu)進行數(shù)值分析是風洞研究或工程設計中常見的方法。解亞軍等[1]和董國慶等[2]分別對NF-6高速增壓和FL-9低速增壓風洞的主體結(jié)構(gòu)進行有限元分析，得出其應力、應變和模態(tài)分析結(jié)果，通過與水壓和氣壓試驗結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)其應力計算值與實測值較為一致，同時模態(tài)分析也可以為風洞安全運行提供參考。陳萬華等[3]以某風洞主體結(jié)構(gòu)為研究對象，介紹在有限元分析過程中的模型簡化原則和網(wǎng)格劃分方法，得到靜力學分析和模態(tài)分析結(jié)果，驗證風洞主體結(jié)構(gòu)滿足要求。馮立靜等[4]基于PATRAN/MSC NASTRAN提出一種對收縮段進行動應力分析的方法，檢驗某結(jié)冰風洞承受空氣動力作用的能力。劉慧芳[5]基于Abaqus對某風洞動力段結(jié)構(gòu)進行計算和分析，得出影響模型結(jié)構(gòu)強度的關鍵因素，為動力段結(jié)構(gòu)設計提供參考依據(jù)。陳振華等[6]則應用MSC NASTRAN對風洞大迎角機構(gòu)進行分析，驗證其結(jié)構(gòu)形式合理可靠。王元興等[7]以FL-26風洞擴散段為研究對象，通過有限元驗證計算與分析，找到設備產(chǎn)生裂紋的原因并確定裂紋設備的改造方案。劉俊等[8]針對FL-24風洞整流錐多處焊縫開裂問題，通過有限元分析，增加內(nèi)外筋板，提出整流錐結(jié)構(gòu)的改進方案。研究表明，通過合理地選取單元類型、進行模型簡化、處理邊界約束等，得到的風洞有限元計算結(jié)果與實測值較為一致，從而保證進一步對風洞進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的可靠性。

鑒于風洞主體結(jié)構(gòu)是一個大型復雜的非常規(guī)壓力容器，采用有限元法對某超大型連續(xù)式跨聲速風洞進行地震安全分析，并依據(jù)JB 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設計標準》[9]進行強度評定。

1 風洞結(jié)構(gòu)和設計參數(shù)

該超大型連續(xù)式跨聲速風洞主體結(jié)構(gòu)由駐室段、再入段、亞擴散段、第一拐角段-第二拐角段、低速擴散段、換熱器段、第三拐角段-第四拐角段、穩(wěn)定段組成。駐室段用于對模型進行測試；駐室段下游為再入段，作用是將氣流引向風洞外或?qū)Щ氐斤L洞入口；亞擴散段的作用是降低流速、減少能量損失；駐室段上游為穩(wěn)定段，作用是提高氣流勻直度、降低湍流度。風洞主體總長度約為103.8 m，寬度約為43 m，駐室段直徑為12 m。風洞整體結(jié)構(gòu)見圖1，設計參數(shù)見表1。

2 有限元分析模型建立

2.1 有限元模型

采用ANSYS進行壓力容器分析設計。在地震分析中，為計算出結(jié)構(gòu)的自振周期，必須建立整體模型并施加與實際約束一致的邊界條件。由于風洞尺寸大且為板殼結(jié)構(gòu)，為提高計算精度和計算效率，采用SOLIDSHELL實體殼單元進行網(wǎng)格劃分。風洞幾何模型見圖2，有限元模型見圖3。endprint

2.2 約束

根據(jù)風洞的實際結(jié)構(gòu)和約束情況，對風洞有限元模型施加如下約束條件：在駐室下面前承力墻下端設置固定支座；在后承力墻下端、第二拐角段下端、第四拐角段下端和低速擴散段小端設置沿軸向的單導向支座；其他支座為滑動支座。

2.3 載荷

參考JB/T 4710—2005《鋼制塔式容器》[10]計算水平地震力為

式中：α1為對應于塔式容器基本振型自振周期T1的地震影響因數(shù)（見圖4）；m為設備集中質(zhì)量，kg；g為重力加速度，取9.81 m/s2。

對風洞整體模型進行模態(tài)分析后得到結(jié)構(gòu)的基本振型自振周期T1=0.467 s，大于風洞使用地的地震特征周期Tg=0.350 s。確定地震影響因數(shù)α1的計算公式為

式中：αmax為地震影響因數(shù)的最大值，依據(jù)該風洞所在地的抗震設防烈度為7度、設計基本加速度為0.1g，取αmax=0.08；η2為阻尼調(diào)整因數(shù)，γ為衰減因數(shù)，計算公式為

該設備的水平地震力F1=0.062mg，則風洞結(jié)構(gòu)的地震水平加速度大小為0.062g。出于保守考慮，選擇在剛度較小的垂直于駐室軸線的方向施加水平加速度，在各部段內(nèi)施加大小為0.4 MPa的設計壓力。

3 有限元分析結(jié)果和強度評定

風洞整體結(jié)構(gòu)的應力強度分布見圖5。

風洞是承受壓力作用的密閉結(jié)構(gòu)，其本質(zhì)上是壓力容器，而且由于體積很大，屬于第Ⅲ類壓力容器。關于壓力容器的設計，目前有常規(guī)設計和分析設計2種方法，本文所涉及的風洞還要承受外壓作用，外加強筋很多，無法進行常規(guī)強度計算，故依據(jù)JB 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設計標準》對風洞進行強度評定。

JB 4732—1995依據(jù)應力對容器強度失效所起作用的大小，按照等強度設計原則對容器中的應力進行分類，具體判斷依據(jù)為：（1）應力產(chǎn)生的原因；（2）應力的作用區(qū)域和分布形式。應力分為一次應力、二次應力和峰值應力，其中一次應力又分為一次總體薄膜應力、一次局部薄膜應力和一次彎曲應力。

按照該標準，強度評定采用應力強度作為參量，應力強度規(guī)定為最大剪應力的2倍。標準將應力強度分為5類，即一次總體薄膜應力強度SI，一次局部薄膜應力強度SII，一次薄膜應力加一次彎曲應力的應力強度SIII，一次薄膜應力加一次彎曲應力以及二次應力的應力強度SIV和峰值應力強度SV。

為求取應力強度值SI～SV，根據(jù)有限元計算結(jié)果，在構(gòu)件不同部位，過危險應力點沿厚度作路徑，進行應力線性化處理，得到薄膜應力強度、薄膜應力加彎曲應力強度及總應力強度，然后進行應力分類并得到SI～SV。對不同的應力強度給予不同的限制，進行強度評定。

該風洞結(jié)構(gòu)非常復雜，要選取路徑并進行強度評定的部位很多，包括遠離結(jié)構(gòu)不連續(xù)部位的整體部位和結(jié)構(gòu)不連續(xù)部位。本文只對換熱器段大開孔處強度進行評定，該部位應力強度分布見圖6，大開孔連接處的路徑見圖7，應力強度及評定結(jié)果見表2。換熱器大開孔結(jié)構(gòu)處、開孔與筒體連接區(qū)域?qū)儆诮Y(jié)構(gòu)不連續(xù)部位，因此分別沿筒體厚度方向和接管厚度方向作應力線性化處理（分別對應圖7中A路徑和B路徑）：此時薄膜應力強度為SⅡ；一次應力強度加二次應力強度之和即為SⅣ；開孔接管高度中間處沿接管厚度方向（圖7中C路徑）劃分為SⅠ和SⅣ。

從表2可以看出，該連接部位強度有較大的安全裕量，事實上風洞其他部位也是如此。需要說明的是，該風洞還承受短期外壓載荷，也應進行疲勞分析，但本文未作介紹。

4 結(jié)束語

對某連續(xù)式跨聲速風洞進行地震安全分析，建立整體模型并施加與實際約束一致的邊界條件計算結(jié)構(gòu)的自振周期。由于風洞尺寸很大且為板殼結(jié)構(gòu)，若采用常見的實體單元則會因單元和節(jié)點太多而無法計算。為此，采用SOLIDSHELL實體殼單元進行網(wǎng)格劃分和計算，保證計算精度和計算效率。同時，鑒于風洞承受內(nèi)壓作用，屬于第Ⅲ類壓力容器，由于結(jié)構(gòu)復雜，無法進行常規(guī)設計，因此依據(jù)JB 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設計標準》進行分析設計，最終完成該超大型連續(xù)式跨聲速風洞的地震安全分析，得到委托單位的認可。目前該風洞已在建設之中。

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