薛 闊

(中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第八研究院,南京 211153)

0 引 言

某設(shè)備采集器安裝在海岸邊,用于持續(xù)采集相關(guān)數(shù)據(jù)。原安裝方式為12 m長(zhǎng)桁架伸入海中,桁架采用碳纖維復(fù)合材料,自重依然高達(dá)120 kg,實(shí)際安裝、維護(hù)困難。后期考慮設(shè)備使用要求及工程實(shí)際,選擇將采集器通過支架安裝在靠海水泥混凝土防波堤上。該采集器要求在十級(jí)臺(tái)風(fēng)條件下工作,十級(jí)以上天氣拆卸收進(jìn)庫房。本文重新設(shè)計(jì)支架,然后利用ANSYS Workbench流固耦合分析進(jìn)行校核。流固耦合分析在航空航天、水利建筑、石油、化工、海洋以及生物等眾多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1-4]。

1 流固耦合理論[5]

流固耦合問題是流體力學(xué)與固體力學(xué)交叉形成的一門力學(xué)分支,同時(shí)也是多學(xué)科或多物理場(chǎng)研究的一個(gè)重要分支,是研究可變形固體在流場(chǎng)作用下的各種行為以及固體變形對(duì)流場(chǎng)影響這二者相互作用的一門科學(xué)[6]。

1.1 流體控制方程

流體流動(dòng)遵循物理守恒定律,對(duì)于一般的可壓縮牛頓流體來說,守恒定律通過如下方程描述。

質(zhì)量守恒方程:

(1)

動(dòng)量守恒方程:

(2)

其中,t為時(shí)間;ff為體積力矢量;ρf為流體密度;v為流體速度矢量;τf為剪切力張量,可表示為

τf=(-p+μ?·v)I+2μe

(3)

1.2 固體控制方程

固體部分的守恒方程由牛頓第二定律推導(dǎo)得到:

(4)

能量方程:

?·(v·τ)+v·ρff+SE

(5)

其中,λ為導(dǎo)熱系數(shù);SE為能量源項(xiàng);htot為流體部分總焓。

固體部分增加了溫差引起的熱變形項(xiàng):

ft=αt·?T

(6)

其中,αt是與溫度相關(guān)的熱膨脹系數(shù)。

1.3 流固耦合方程

在流固耦合交界面處,流體與固體的應(yīng)力τ、位移d、熱流量q、溫度T等變量相等或守恒,故得到流固耦合方程:

(7)

其中,下標(biāo)f表示流體;下標(biāo)s表示固體。

下面建立采集器支架模型,材料為不銹鋼,流體域?yàn)?5 ℃下空氣,其他參數(shù)為系統(tǒng)默認(rèn)即可。

2 風(fēng)載荷分析

采集器支架安裝在防波堤上,某些部位有約1.4 m高的金屬護(hù)欄,前端安裝的采集器須保持一定的穩(wěn)定性,故對(duì)支架剛度有一定要求,綜合考慮安裝、使用、維護(hù)等因素后,重新設(shè)計(jì)的支架如圖1所示,支架豎桿1.7 m,橫桿1.2 m,采用不銹鋼材料,焊接一體,油漆防護(hù),總重約50 kg,通過膨脹螺絲安裝在水泥地面,以方便拆裝。十級(jí)臺(tái)風(fēng)為采集器極限工況,故后面在該工況下進(jìn)行校核。

圖1 支架模型

將支架模型導(dǎo)入ANSYS Workbench CFX,在DM模塊中通過布爾運(yùn)算得到流體域。支架安裝現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地空曠,故流體域要足夠?qū)拸V,此處流體域尺寸設(shè)為30 m×30 m×20 m,劃分網(wǎng)格后見圖2。流體域選擇25 ℃理想氣體,湍流模型選擇Shear Stress Transport,地面采用有摩擦的wall壁面條件,頂部采用自由滑移壁面條件。十級(jí)臺(tái)風(fēng)風(fēng)速約為28.4 m/s,根據(jù)《GB50009-2012建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范》可得風(fēng)壓為490 Pa左右,選擇支架的最大迎風(fēng)面施加風(fēng)速,施加邊界條件后見圖3。

圖2 流體域網(wǎng)格劃分

圖3 流體域施加邊界條件

求解后得到模型的風(fēng)速、風(fēng)壓分布見圖4～10,其中圖5～7為平行風(fēng)速剖面上的風(fēng)速、風(fēng)壓變化,圖8～10為垂直風(fēng)速剖面上的風(fēng)速、風(fēng)壓變化。

圖4 風(fēng)速矢量圖

圖5 平行風(fēng)速剖面風(fēng)速云圖

由圖4、圖5可知:初始風(fēng)速為28.4 m/s,風(fēng)速分布基本符合拋物線分布,地面附近風(fēng)速較慢,離地面越遠(yuǎn)風(fēng)速越快。由圖6、圖7可知:在風(fēng)吹支架受阻后風(fēng)速降低的過程中,支架迎風(fēng)面形成高壓氣幕,支架背風(fēng)面形成負(fù)壓,與實(shí)際工況亦相符。由圖8～10可知:在風(fēng)吹支架受阻后,風(fēng)向改變,部分區(qū)域風(fēng)速加快,造成支架附近風(fēng)壓小于遠(yuǎn)處。

圖6 平行風(fēng)速剖面風(fēng)速矢量圖

圖7 平行風(fēng)速剖面風(fēng)壓云圖

圖8 垂直風(fēng)速剖面風(fēng)速云圖

圖9 垂直風(fēng)速剖面風(fēng)速矢量圖

圖10 垂直風(fēng)速剖面風(fēng)壓云圖

3 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

將CFX得到的支架風(fēng)壓數(shù)據(jù)導(dǎo)入靜力學(xué)分析模塊,見圖11。支架前端安裝的采集器重約8 kg,底座安裝在水泥地面上,故模型施加約束、載荷后見圖12。求解得到支架的總體變形、應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D,分別見圖13～15。

圖11 支架受風(fēng)壓矢量圖

圖12 支架約束載荷圖

圖13 支架總體變形

由圖13可知:支架最小變形在底座處,最大形變發(fā)生在最前端安裝面位置,該處位移為風(fēng)吹偏移和采集器下壓形變的疊加,最大值為0.75 mm,形變量很小,說明支架剛度很高,可保證儀器平穩(wěn),減少晃動(dòng)。由圖14、圖15可知:最大應(yīng)力和最大應(yīng)變發(fā)生在豎桿和加強(qiáng)角板的連接處,最大應(yīng)力值為14.47 MPa,遠(yuǎn)小于鋼材許用應(yīng)力。最大應(yīng)力點(diǎn)的位置也再次證明了底座加強(qiáng)角板的必要性,與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)相符。

圖14 支架應(yīng)力云圖

4 結(jié)束語

本文通過基于ANSYS Workbench的校核得到改進(jìn)后的支架在十級(jí)臺(tái)風(fēng)條件下的最大變形為0.75 mm,最大應(yīng)力為14.47 MPa,滿足剛度、強(qiáng)度要求。新安裝方案考慮工程實(shí)際,支架縮小了尺寸,降低了重量,易于安裝維護(hù),極端天氣下也方便拆卸入庫,滿足設(shè)計(jì)改進(jìn)要求。