基于平面丝网气动载荷的风洞阻尼网设计.pdf

基 于 平 面 丝 网 气 动 载 荷 的 风 洞 阻尼 网设 计 口刘宗政 1 , 2 口 陈振华 口彭强 口杨文国 口周平 1 ． 清华大学 精密仪器与机械学系 北京 1 0 0 0 8 4 2 ． 中国空气 动力研究与发展中心 四川绵 阳 6 2 1 0 0 0 摘要阻尼 网是风洞稳定段 中对 气流进行整流 的重要装置之 一， 对承受 气动载荷 的丝 网进行 强度分析 ， 探 索一般 的设计计算方法具有重要意义。 通过有限元分析法和解析法对平面丝网进行了强度计算， 同时对拉网弹性机构进行了设 计计算， 提出了大型风洞阻尼网的一般设计计算方法， 该方法已成功运用于某大型风洞阻尼网的设计。 关键词 气动载荷风洞阻尼网设计 中图分类号 T U 3 5 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 04 9 9 8 2 0 1 0 0 50 0 2 5 0 3 风 洞 ， 是 在 一 个 管 道 内产 生 可 控 的人 工 气 流 ， 以 供 实 验使 用 的设 备 。 为 了在风 洞 试验 段 内获取 品质 优 良 的 流 场 、 达 到 高 雷 诺 数 试 验 和 层 流 翼 型 技 术 研 究 所 要 求 的低 湍 流度 水 平 ， 需要 在 风 洞稳 定 段 内安 装若 干层 阻 尼 网进 行 整 流 。 阻尼 网属 于 单层 平 面 丝 网结 构 ， 单 层平 面 丝 网 的 主 要 力 学 特 点 是 柔 性 大 、 结 构 刚 度 较 小 、 固有 阻 尼 小 ， 在 外 载 作 用 下 或 支 承 运 动 时 ， 容 易 导 致 大 范 围 振 动 】 。 当受 到 面 外 荷 载 时 ， 丝 网 的 刚 度 强 化 明显 ， 丝 与 丝 之 间 由于接 触 而相 互作 用 ， 使 丝 网几何 非 线性 引 起 的 刚度 变大 。 由于一般 风洞都 是频 繁启 动 和停车 的通 风 回路 ， 阻尼 网频 繁 受 气动 载荷 冲击 ， 因此 分 析该 类结 构 的气 动 载 荷 时 ， 需 要 考 虑 几 何 非 线 性 的 影 响 。 目前 ， 在 风 洞 工 程 领 域 ， 对 阻 尼 网 结 构 在 气 动 载 荷 作 用 下 强 度 及 变 形 的研究 较 少 ， 一 般依 靠 工程 经 验进 行 气 动稳 态 载 荷 的设 计计 算 ， 迄 今 为止 少 有文 献 提 出适 合 于单 层 平 面 丝 网结构 在气 动载 荷作 用 下 的 阻尼 网设 计 计算 方 法 。 本 文 分 析 了 阻 尼 网 在 风 洞 中 所 受 的 气 动 载 荷 ， 利 用 有 限元分 析方 法和解 析法 对丝 网强 度和 拉 网弹簧机 构进 行 了设计 计算 ， 提 出 了具 体设 计方 法 ， 并 成 功应用 于 我 国某大 型超声 速风洞 阻尼 网设 计 中。 1 单层丝网气动载荷分析 单层丝 网结 构 由不锈 钢丝 网和 周边 一 系列 拉 网机 构 组 成 ， 拉 网 机 构 锚 挂 在 周 边 稳 固 的 支 承 结 构 上 。 网 状 布 置 的单层 丝 网受 力 形 成 凹状 的双 曲率 曲 面 ， 由 于两 个 方 向 的 丝 呈 正 交 布 置 ， 各 方 向受 力 近 似 相 等 。 风洞启 动 时 ， 稳定 段 内风速 逐渐 增加 至稳 态 ， 由于 稳 定 段 来 流 非 均 匀 气 流 ， 阻 尼 网 的 最 前 面 一 层 受 力 状 况最 为恶劣 ， 通 常对这 一层 阻尼 网进行 分析 和计算 。 图1 是 风 洞从 启 动到 实 验结 束 整个 运 行 过 程 中第 一 层 丝 网 的受 轴 向力 垂 直 于丝 网平 面 简 图 。 在风 洞 收稿 日期 2 0 0 9 年1 1 月 机械制造4 8 卷 第5 4 9 期 启 动 和 停 车 时 ， 丝 网 受 到 短 时 间 突 然 变 大 的 轴 向 冲 击 载荷 ， 在风 洞启 动结 束至 关车 区 间 ， 轴 向载荷在 小 范围 内波 动 ， 趋 于稳 定 。 通常启 动 和停 车时丝 网所受 轴 向力 是 稳 定 状 态 时 的 数 倍 。 单 层 丝 网 主 要 受 气 动 轴 向 载 荷 ， 该 载 荷 通 过 拉 网 弹簧 机 构传 递 至 风洞 洞 壁 。 本 文 主要 研究 单 层平 面 丝 网结构在气 动载荷作 用下 的力学 性能 、 强度 和变形 ” 。 2 丝网强度和拉网弹簧设计计算 2 ． 1 丝 网 的 强度 计 算 风 洞 运行 过 程 中 ， 丝 网在 承 受 较 大 的冲 击载 荷 时 容 易产 生强 度 问题 ， 如 部分 钢丝被 拉 断 、 网受 拉后 变形 过 大 、 产 生 塑 性 变 形 等 。 因 此 ， 必 须 对 丝 网进 行 强 度 和 变形 分析 。 方法 通 常是有 限元 数值分 析方 法和解 析法 。 2 ． 1 ． 1数 值 方 法 单 层 丝 网计 算 模 型 如 图2 所 示 I 3 】 。 按 照 手册 ， 选 取 一 定 规格 的不 锈钢 丝 网 ， 确定 丝 的直径 和通气 率 ， 通常 生 产 型风 洞 阻尼 网尺 寸很 大 ， 因而对 整 个丝 网建立 数 学模 型工 作量 太大 ， 实 际计算 时 ， 通常建 立一 个较 小模 块 的丝 网模型进 行 等效计 算 。 由于 丝 网整 体 承受 气 动轴 向载荷 ， 在整 个 受力 截 面上 ， 载荷 近似 均布 ， 计算 时边 界条 件如下 一 是 载荷 等效 作 用 在该 单 元 中心 钢 丝横 截 面上 ， 2 01 0 ／5 国 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 载 荷 大 小 选 取 丝 网 所 受 的 轴 向 冲 击 载 荷 ， 并 考 虑 一 定 安 全 系 数 ； 二是 单 元 周边 约 束 为不 可移 动 ， 这 是 由于 单元 之 间没有 相对 运动 ， 对整个 丝 网而 言 ， 由于周边 是 弹簧拉 紧机 构 ， 周边 约束应 为 可以移 动 ； 三是 丝 网的钢 丝 之 间约束 为 接触 且 无 穿透 存 在 接触 应力 ， 在 面外 载 荷作 用 下 ， 横 向丝 与纵 向丝交 错 叠 加并 紧密 接 触 ， 丝是 细 长体 ， 易 于 产 生 轴 向 弹性 变 形 ， 轴 向弹性 变形会 影 响丝与丝 之 间的接触 应力 。 进 行 网 格 划 分 后 ， 利 用 有 限 元 分 析 软 件 进 行 计 算 ， 结 果 如 图 3 所 示 ， 网 的 应 力 从 中 心 区 域 至 周 边 逐 渐 减 小 ， 按照 强 度理 论 ， 设 计选 取最 大 应力 值 。 位 移结 果 同 样 是 中 心 区 向 周 边 逐 渐 减 小 ， 模 型 只 是 一 个 较 小 单 元 ， 该 位 移 可 作 为 参 考 。 2 ． 1 ． 2解 析 方 法 如 前所述 ， 在 气动载 荷作 用下 ， 阻尼 网 的内部钢 丝 之 间相互 接 触 ， 产生 接 触应 力 ， 网的 整体 刚度 变 大 ， 丝 网呈 现非 线 性 。 解析 法 计算 中 ， 难 以估 算 非线 性 影 响 ， 而近 似认 为 丝与 丝 之 间没有 相 互 作用 ， 这 样 的计 算 结 果更加 保守 。 因此 ， 可利用 柔索公 式求 解 】 。 阻 尼 网 在 气 动 载 荷 作 用 下 呈 球 冠 形 ， 对 网 的 强 度 计 算 ， 取 1 m宽 的 网作 为研究 对象 。 柔 索 公 式 g D P 一 8 厂 式 中 P为 网 的 径 向 拉 力 ； D 为 网 的 直 径 ； ／为 网 的 垂 度 ； g为 每米长 度上 网所 受 的气动 力 ， 根据 以下公 式计 算 q Q s N／ m} q F L 2 式 中 Q 为 网所 受 的 轴 向力 ； F为 网 的 面 积 ； S为 l m 宽 式 中 z 为 网的净孔 长 ； d为 网的丝径 。 l m 宽 网 上 不 锈 钢 丝 总 截 面 积 为 Fl 竹 X ／4 网上 的 应 力 P／F 由此 ， 可 计 算 出 丝 网应 力 。 2 ． 2 拉 网弹 簧的设 计计 算 丝 网 周 边 有 一 系 列 拉 网机 构 ， 该 机 构 锚 挂 在 周 边 稳 固 的支承结 构上 ， 通 过弹簧 支撑 ， 弹性 拉 网机 构可 有 效 增 加 缓 冲 。 进 行 阻 尼 网 设 计 ， 必 须 同 时 进 行 弹 簧 的设 计 计 算 。 2 ． 2 ． 1弹 簧 间 距 的 确 定 弹 簧 是 用 来 支 撑 丝 网 的 机 构 ， 一 般 大 型 风 洞 ， 阻 尼 网通常有 数层 ， 由于稳定 段一 般为 圆形截 面 ， 因此每层 网沿 周 向均 布 若 干 个 弹 簧拉 紧机 构 ， 假 定 为 F t , 个 ， 则 每 3 6 0 。 ／n角 度 间 距 有 一 个 弹 簧 机 构 ， 若 有 ／ 7 ／, 层 网拉 在 同一截 面上 ， 其 拉 网间距 为3 6 0 。 ／ n m 。 每 个 拉 网 机 构 间 距 l r r D 3 6 0 ． 4 式 中 D 为 整 流 网 直 径 ， 为 拉 网 角 度 间 距 ， 卢3 6 0 。 ／ n 玑 。 贝 U ， Z -r r D n， lI L 根据拉 网机 构间距 选择 弹簧 的 中径 。 2 ． 2 ． 2弹簧压缩 量 当阻 尼 网在 气动 载 荷作 用 下 时 ， 近似 呈抛 物 线形 状 ， 弧 长按 抛物线 计算 如下 ￡ 历 ． 1 n 式 中 。为跨 度 的一半 ， 这里取 D／2； h为挠 度 。 阻 尼 网 的挠 度 通 常 根 据 风 洞 运 行 情 况 在 设 计 前 给 2 0 1 0 ／ 5 机 械 制 造 4 8 卷 第5 4 9 期 a 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 ． 2 ． 3弹 簧 拉 力 的 计 算 设 每 两个 拉 紧机 构 之 间 的 间距 为 z ， 由于每 层 阻 尼 网沿 周 向均 布 r ／, 个 弹簧 拉紧机 构 ， 则 Z 订 D ／n 计 算 每 米 宽 度 上 布 置 的拉 网机 构 数n 。 为 i r b 1 0 0 0 ／z 1 根 据 柔 索 计 算 结 果 ， 每 根 弹 簧 受 拉 力 为 P P／n 6 因此 ， 可 根 据 载 荷P 、 总 循 环 次 数 如N 2 o o o 0 来 设 计 弹 簧 。 3 阻尼网设计 通 过 丝 网 和 弹 簧 设 计 计 算 ， 选 取 阻 尼 网 的 网 丝 规 格 和 弹 簧 ， 考 虑 工 程 应 用 中 的加 工 工 艺 和 其 他 要 求 ， 可 以开 展 风 洞 阻 尼 网 设 计 。 常 用 的 生 产 型 风 洞 尺 寸 大 ， 阻 尼 网设计需 要考 虑 以下 因素 。 一 是 网 的 成 形 与 连 接 。 工 业 用 网 尺 寸 较 小 ， 为 了 满 足 风 洞 大 尺 寸 网 的 需 要 ， 必 须 进 行 拼 接 。 网 的 拼 接 采 用 编 制 法 ， 网 周 边 用 钢 丝 支 承 ， 两 侧 用 薄 板 夹 持 ， 再 通 过 螺 栓 连 到 U型 夹 上 ， u 型 夹 用 钢 丝 拉 住 ， 通 过 定 滑 轮 改 变 方 向 ， 再 连 到 弹 簧 支 架 上 ， 用 力 矩 扳 手 使 拉 紧 机 构 受 力 均 匀 。 二 是 拉 网 机 构 的 组 成 和 安 装 。 弹 性 拉 网 机 构 可 有 效 增加缓 冲 ， 避免 阻尼 网受损 。 拉 网机构 固定 在稳 定段 壳 体上 ， 如果是 夹层 结构 ， 则 固定在 内 1- 壳体 间 的夹层 中 ， 由夹 紧 装 置 、 拉 杆 和 拉 紧 机 构 组 成 。 在 安 装 过 程 中 ， 通 过 调 节 弹 簧 的 压 紧 力 来 调 整 网 的 绷 紧 程 度 。 网 的 裙 边 可 以防 止 气 流在 内 I- 壳 体 之 间 的拉 网空 间 产 生 串 流 。 拉 杆与 夹 紧装 置 之 间采 用铰 链 以 防止 网的 局部 打 褶 ， 并 有 助 于阻 尼 网在 气 流作 用 下形 成 球 面 ， 以减 少 ▲图4 某风洞阻尼网结构 简图 网 丝 中 的 应 力 。 拉 网 装 置 均 匀 地 分 布 在 网 的 周 边 ， 由 压 紧 弹 簧 产 生 对 阻 尼 网 的 拉 力 。 单 层 阻 尼 网 结 构 见 图 4 。 4 结束语 通 过 分 析 阻 尼 网 在 风 洞 运 行 过 程 中 的 受 力 情 况 ， 采 用 两 种 方 法进 行 了丝 网在 气 动 载荷 作 用 下 的强度 计 算 ， 有 限 元 分析 方法 通 过建 模 和边 界 条 件 的确 定 ， 能 直观 反 映 阻 尼 网某单 元 的应 力 和 位移 情 况 ， 获 得较 为 准 确 的应 力数 值 ， 但 由于通 常 生产 型风 洞尺寸 大 ， 数 学模 型 的建 立 和数值 运算有 较大 困难 ， 解析 法也 是一 种常 用手 段 ， 机械制造4 8卷 第5 4 9 1] 因此两种 计算 方法 的结 合使 用 能够 为风洞 阻尼 网设计 提 供更 合 适 的 理论 依 据 。 本 文 同时 对 弹性 拉 网机 构 的 弹 簧进 行 了设计 计 算 ， 进 而得 出风 洞 阻尼 网设 计 的一 般 计算 和设 计 方 法 ， 并 成 功地 在 我 国某 大 型超 声 速风 洞 阻 尼 网 设 计 的 2 1 2 程 应 用 中 得 到 验 证 。 参 考 文 献 【 1 】 吴丽丽 ， 王元清 ， 石永久． 单层平面索 网结构风振响应的几 何非线性特性研究【 J 】 ． 振动与冲击 ， 2 0 0 7 4 3 O一 3 4 ． 【 2 】 粟殷． 单层平面索网幕墙 白振特性影响因素分析[ J ] ． 广东 建材 ， 2 0 0 8 4 91 1 ． 【 3 】 李仁佩． 索网结构的非线性有限元分析【 D】 ． 重庆 重庆大 学 ， 2 0 0 6 ． [ 4 】 王丹 ， 刘家新 ． 一般状态下悬链线方程的应用 [ J ] ． 船海工 程 ， 2 0 0 7 6 2 6～ 2 8 ． [ 5 ] 刘政崇． 风洞结构设计 [ M】 ． 北京 国防工业 出版社 ， 2 0 0 4 ． △ 编 辑 功 成 2 0 1 0 ／ 5 圆 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m