（材料加工工程专业论文）大型风洞洞体整体结构应力和变形有限元分析.pdf

摘要 摘要 本文利用有限元软件a n s y s8 0 对一大型风洞洞体进行了整体结构应 力及变形分析。 以壳单元和多种梁单元建立了风洞的整体模型。模型中包括了稳定段和 一扩前段的内层流道。拐角处的导流片、稳定段的蜂窝器以及驻室内外层的 支杆均简化为梁单元。 计算了风洞在设计压力下的应力和变形，分析了洞体应力和变形规律， 并对有无重力的情况进行了比较，结果表明自重对应力影响很小，对变形影 响较大。 按分析设计标准对整体的结构强度进行了强度校核，其薄膜应力强度计 算值1 4 7 6 m p a 低于许用值4 2 1 ：一次加二次应力强度计算值2 2 0 5 m p a 低 于许用值5 6 7 ，该风洞满足结构强度要求。 分析了各段的应力及变形情况的特点。对稳定段、一扩前段、动力段和 第一、四拐角段的椭圆壳，研究了其环向应力、轴向应力的分布，并将其与 一次加二次应力强度进行了比较，环向应力数值接近一次加二次应力强度。 稳定段和一扩前段轴向应力最大值接近环向应力。 对风洞洞体进行了整体模态分析，得到了风洞的前6 阶自振频率及其相 应的振型。振动出现在拐角段和大锥回流段，振型表现为横向和竖直方向的 膨胀和左右摆动。第一阶自振频率为1 1 8 5 2 h z ，高出电机工作频率6 9 3 。 关键词风洞：有限元；应力强度；模态 a b s t r a e t a b s t r a c t f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so ft h es t r u c t u r es t r e s sa n dd e f o r m a t i o ni ns h e l lo fa l a r g ew i n dt u r m e lw a sd o n ew i t h8 0 最w a r ea n s y s8 0i nt h i st h e s i s ， m o d e lo ft h ew h o l ew i n dt u n n e lw a se s t a b l i s h e dw i t hs h e l le l e m e n t sa n d s e v e r a lk i n d so fb e a me l e m e n t s t h ei n n e rs t r u c t u r e so f b o t ht h es t e a d yp a r ta n d t h ef r o n to ft h ef i r s td i f l u s i o np a r tw e r ec o n t a i n e d p i l o ts h e e t so fe v e r yc o m e r a n dt h eb e e h i v ee q u i p m e n ti nt h es t e a d yp a r ta n dt h es u p p o r tp o l ew e r em o d e l e d w i t hb e a me l e m e n t s t h es t r u c t u r es t r e s sa n dd e f o r m a t i o nu n d e rt h ed e s i g np r e s s u r eo ft h et u n n e l w e r ec o m p u t e d t h ec o n t r a s to fr e s u l t so fb o t hw i t ha n dw i t h o u tg r a y i t ys h o w s t h a tg r a v i t yh a sl i r l ee f f e c to ft h es t r e s s ，b u ti te f f e c t st h ed e f o r m a t i o nb a d l y s t r e n g t ho ft h et u n n e lw a sj u d g e dw i t ht h ea n a l y s i sr u l e s t h em a x i m u m m e m b r a n es t r e s si n t e n s i t yw h i c hi s1 4 7 6 m p ai s4 2 1 l o w e rt h a nt h el i m i tv a l u e ， a n dt h em a x i m u mp r i m a r ya d ds e c o n d a r ys t r e s si n t e n s i t yw h i c hi s2 2 0 5 m p ai s 5 6 7 l o w e rt h a ni t sl i m i tv a l u e t h i sm e a n st h a tt h ew i n dt u n n e li ss a f e s t r e s sa n dd e f o r m a t i o no fe v e r yp a r tw e r es t u d i e d c i r c u m f e r e n t i a la n da x i a l s t r e s so ft h es t e a d yp a r t ，t h ef r o n to ft h ef i r s td i f f u s i o np a r t ，t h ep o w e rp a na n d s h e l l so ft h ef i r s ta n df o r t hc o r n e rw e r ea l s os t u d i e d a n dt h ec i r c u m f e r e n t i a l s t r e s sh a sn ob i gd i f f e r e n tw i t hr e l e v a n tp r i m a r ya d ds e c o n d a r ys t r e s s ，a x i a ls t r e s s o ft h es t e a d yp a r ta n dt h ef r o n to ft h ef i r s td i f f u s i o np a r ti sc o n s i d e r a b l yc l o s et o t h er e l e v a n tc i r c u m f e r e n f i a ls t r e s s m o d a la n a l y s i so ft h ew i n dt u n n e lw a sd o n e i t sl o w e rs i xv i b r a t i o n f r e q u e n c i e sw e r ec o m p u t e da n dt h er e l e v a n tv i b r a t i o nm o d e l sw e r es h o w n v i b r a t i o nm o d e l sa r eb u l g i n ga n ds w i n gl e f ta n dr i g h to ft h ec o r n e r sa n dt h e c i r c u m f l u e n c ep a r t i t sf i r s tv i b r a t i o nf r e q u e n c yw h i c hi s11 8 5 2 h zi s6 9 3 h i g h e rt h a nt h ew i n dt u n n e l sw o r k i n gf r e q u e n c y k e y w o r d sw i n dt u n n e l ；f i n i t ee l e m e n t ；s t r e s si n t e n s i t y ；m o d a l i i - 哈尔滨工业大学硕士学位论文 1 1 风洞概况 1 1 1 风洞工作原理 第1 章绪论 风洞是指在一个按一定要求设计的管道系统内，使用动力装置驱动一股可 控制的气流，根据运动的相对性和相似性原理进行各种气动力实验的设备”。 图i - 1 、图1 2 为风洞中的实验模型和风洞的驻室及实验段。 图1 1 风洞试验中的飞机模型【2 1图1 2 风洞驻室【3 1 1 1 2 应用概述 风洞在空气动力学、飞行器设计和制造中起着重要作用，在风洞数据的 基础上，科学家提出了空气螺旋桨理论、附面层理论等：也是在风洞的基础 上，飞行器从结构到性能都得到不断的改进和提高。现阶段还产生了诸如冰 风洞、燃烧风洞等特殊用途的风洞，同时风洞也越来越多的在各种领域得到 应用”。 哈尔滨工业大学硕士学垃论文 1 1 3 风涧分类及国内外概况 风洞从产生到现在，因使用目的及要求的不同而种类繁多，若按其试验 段气流速度的大小来分类，则有低速风洞( m a 5 o ) ，其中亚声速风洞、跨声速风洞和超声速风洞统称为高速风洞【l ，4 5 】。 1 8 7 1 年，英国的弗兰克h - 韦纳姆( f r a n kh w e n h a n ) 建造了世界上第一座 风洞。1 9 2 0 年，美国建造了第一座高速风洞。1 9 2 7 年，美国国家航空咨询委 员会( n a c a ) 建造的风洞直径达6 1 米，这标志着建造大型风洞的开始，在 t 9 4 4 年，n a c a 建成的风洞尺寸为1 2 2 - , 2 4 4 m ，并于1 9 8 2 年为其增加了尺 寸为2 4 4 3 6 6 m 的新试验段。在超音速风洞方面，德国发展较早，于2 0 世 纪3 0 年代就建成了尺寸为4 0 e m x 4 0 e m 的超音速风洞，别的国家超音速风洞 从4 0 年代中期才开始出现。总的来看，2 0 世纪4 0 年代中期到6 0 年代初期， 因飞行器型号实验的需要，而建成了大批风洞【5 】。 国内的第一座风洞由清华大学于1 9 3 4 年设计，1 9 3 6 年建成，但此风洞 在日本侵华时被毁。此后相继建立了一些风洞。建国后风洞的建设取得了较 大发展，其中在1 9 7 1 年，中国气动力研究与发展中心建造的8 m 6 m 口径的 低速风洞是当时亚州尺寸最大的风洞；1 9 5 8 年，沈阳气动力研究所建造的跨、 超声速风洞弥补了我国高速风洞的空白 5 1 。 现阶段，风洞的发展趋于两个方向： 1 ) 在低速风洞方面，尽可能的增大雷诺数，以便使得实验更接近于真实 飞行。这方面的措施包括增大实验段尺寸、采用密度大的工作介质或增大工 作压力、建造低温风洞峥j 。 2 ) 为某些研究目的而建造特殊风洞，像用来模拟飞行中的尾旋运动的尾 旋风洞 i 】、用来模拟冰动力学的冰风洞、用来模拟地表空气动力学的大气边 界层风洞以及燃烧风洞、声学风洞等 7 t o j 。 1 2 压力容器设计方法 压力容器有两种分析方法，即常规设计和分析设计。这两种方法有不同的 基础，各有优劣，一般设计时选用其中一种，不得混用。 哈尔滨工业大学硕士学位论文 1 2 1 常规设计 常规设计以弹性失效为设计准则，以材料力学和板壳力学作应力分析。 该方法认为容器只有完全处于弹性状态时才是安全的。各个国家都有自己的 按规则设计的容器设计标准，如中国的g b l 5 0 钢制压力容器、美国的a s m e 锅炉及压力容器规范一l 。规则设计方法使用较方便，但存在以下不足： 1 ) 不够经济。对应力的性质没有深入认识，校核时采用统一标准，以致 人为的降低了材料的承载能力，消耗更多的材料。 2 ) 缺少疲劳分析。常规设计只能分析静载荷，而不考虑交变载荷对结构 强度的影响，所以无法进行疲劳分析和寿命预计。 3 ) 不全面。常规设计所采用的安全系数较高，有时会无法找到失效的实 质，结果是在较多的材料消耗的基础上，反而削弱了结构的强度。 1 2 2 分析设计 分析设计以塑性失效和疲劳失效为设计准则，其应力分析采用的方法包 含有限元法、弹性理论和板壳理论解析法、实验应力测试法。该方法认为容 器是可以存在塑性变形的。分析设计与相对规则设计，其优点是采用了应力 分类的方法进行强度校核，即认为不同的应力种类对结构的强度影响不同， 也就需要采用不同的强度极限。我国以分析设计为基础的标准为j b 4 7 3 2 - 9 5 钢制压力容器一分析设计标准，美国的为a s m e 锅炉及压力容器规范 一2 。概括起来，分析设计的优点表现在如下几个方面： 1 ) 放弃了弹性失效准则，而是采用塑性失效准则，考虑了结构的塑性变 形，引入了极限分析和安定分析的概念。 2 ) 引入了应力分类的方法，对不同的应力种类采用不同的限制条件，如 机械应力以极限载荷为上限；不连续部位的应力和热应力以安定载荷为上限； 对受反复交变载荷的结构以疲劳试验应力幅为界限。 3 ) 借助计算机技术和近代实验测试技术，可以对复杂结构的各个部位作 详细的应力计算和分析。 当然分析设计也还有其不足之处，最显著的就是该方法较繁琐，需要较 多的设计成本，对设计人员提出了更高的要求，需要其掌握更多学科的知识。 譬i ：鎏三些盔兰2 圭兰釜鳘三 所以一般情况下只对复杂结构或大型结构采用分析设计方法，而简单的结构 还是更多的应用常规设计方法，以此达到可靠性和经济性的统一。从当前的 情况来看，各行各业的快速发展导致了其对复杂容器的需要，分析设计也是 应用的热点，这也代表了压力容器设计方法的前进方向，广大科学工作者和 工程技术人员需要付出更大的努力来完善分析设计方法，使之能更方便、更 广泛的应用于实际。 1 3 压力容器有限元分析 1 3 1 有限元方法 有限元是一种将连续体离散成一系列的单元，通过推导建立单元位移与 节点力之间的关系从而形成基本方程，解基本方程以得到未知量的计算方法 【4 l 。 有限元技术发展迅速，已经由弹性力学平面问题扩展到空间问题，由静 力问题进而到动力问题，同时从结构力学领域扩展到流体力学、传热学、电 磁学及多学科交叉领域。有限元技术对风洞的建造提供了理论依据，从而带 来一些值得关注的突破，也确保了风洞的安全运行【4j 。 有限元法最早出现是作为处理固体力学问题的一种方法。1 9 4 3 年c o u r a n t 就应用了单元的概念，他使用一组三角形单元分析了s t ，v e n a n t 扭 转问题【1 1 1 。1 9 4 5 1 9 5 5 年，a r g y r i s 等人在结构矩阵分析方面取得了很大的 进展【12 1 。1 9 5 6 年，t u r n e r 、c l o u g h 等人把刚架位移法的思路，推广到弹性力 学平面问题【1 3 】。1 9 6 0 年，c l o u g h 首次提出了有限单元( f i n i t ee l e m e n t ) 的概念 h 4 i 。1 9 6 3 年，b o s s e l i n g 等人指出有限元是基于变分原理的r i t z 法的一种形 式，从而使r i t z 分析的所有理论基础都适用于有限元法”。1 9 6 5 年， o c z i e n k i e w i c z 等人又将有限元法推广到计算场的问题【16 ，”j 。此后，有限元 得到较快的发展，同时向多学科渗透，人们一方面通过理论和实践积极改进 算法，另一方面相继提出了大量的单元模型，这使得有限元的应用范围越来 越广，解决的问题越来越多，精度也越来越高。随着计算机技术的提高，计 算规模更是以超乎想象的速度提高，现阶段所使用的并行计算技术也对计算 效率有所改善。但是，有限元作为一种计算方法，它的应用还是基于居多假 啥尔滨工业大学硕上学位论文 设的基础上，它也不可能完全反映实际情况，例如在计算破裂情况时，只能 在知道裂纹的初始形态的情况下模拟其扩展过程。所以在大力推进有限元技 术的同时，更应该正确对待有限元结果，合理进行分析，以其作为一种辅助 手段进行科学研究和用于工程实际。 壳单元在有限元中得到广泛应用，其发展历史也很漫长，早在1 9 6 1 年就 有了可弯曲的板单元，这被看作壳单元的雏形。真正适用于一般壳问题的单 元在7 0 年代开始出现，比较著名的为k i r c h h o f f 板壳单元( 四节点1 2 自由度1 ， 这种单元假设横向切应变为零。跟着又有了m i n d l i n 壳单元，它是一种八节 点四边形单元。近来又有了高阶p 单元【1 8 。比较热点的问题是壳体的失稳分 析。 1 3 2 压力容器有限元分析概况 有限元方法最早即应用在结构分析中，所以压力容器的分析设计中也就 较早的引入了有限元方法。 文献【1 9 】， 2 0 】中m o f f a t 采用2 0 节点等参元的方法研究了圆柱壳的应力 分布情况，同时与实验结果进行了比较，得到了该结构的最大强度因子额的 设计曲线。m o f f a t 曾对不同载荷情况下的圆柱壳结构应力进行了分析。m o f f a t 的部分研究结果被英国的管道设计标准b s 8 0 6 采用。 文献 2 1 】，【2 2 中w i d e r a 对圆柱壳开孔接管结构的应力分布进行了研究。 k o v e 在文献 2 3 1 中研究了w r c 公报3 6 8 中的局部薄膜应力的经验公式， 并给出了修正后的局部薄膜应力设计公式。 s k o p i n s k y 在文献 2 4 中对两斜相贯的圆柱壳在内压作用下的应力情况 进行了分析。在文献 2 5 1 中，对这一结构作了局部修改，即接管处采用圆弧 过渡，并研究了相应结构的应力分布情况。 压力容器中的有限元方法已经发展得较成熟了，许多国家的压力容器分 析设计标准都提到了有限元方法，如美国的a s m e - - 一2 压力容器建造一 另一规则，我国的钢制压力容器一分析设计标准( j b4 7 3 2 9 5 ) 。但是分 析设计都采用应力分类的方法进行强度校核，而有限元只能给出整体的结果， 如何从有限元的结果中分出各种应力的值是一个难点问题，也是迫切需要解 决的问题。 现在工程设计中，研究人员采取各种各样的方法处理这个问题，导致对 哈尔滨工业大学硕士学位论文 同一问题得到不同的结果。许多专家学者提出把处理这个问题的方法纳入到 相应的标准中。 1 4 课题来源及研究的目的和意义 f l 一9 低速增压风洞隶属于中国航空工业空气动力研究院，并由哈尔滨 工业大学工业技术研究院和核工业2 3 公司承建。该风洞体积庞大，并以其实 验段尺寸成为亚洲最大的低速增压风洞，洞体结构见图1 3 。 f l 一9 低速增压风洞是一个全钢结构，主要分为拐角段、稳定段、扩散 段、风扇段和驻室段。各段直径不一，存在多处直段和锥段的连接。为增加 强度，壳体上焊有环向和纵向筋板，各段上筋板疏密不一、厚度不同。稳定 段、一扩前段和风扇段为双层结构，外层为承压壳体，内层为流道，内外层 之间由支板连接。风洞总体尺寸为长7 8 m ，宽1 8 m ，最大直径为9 1 4 5 m ，最 小直径为9 6 4 m 。材料为1 6 m n r 。 风洞建成后需要进行压力实验，因洞体巨大，无法进行水压实验，所以 压力实验定为气压试验。为确保气压实验的安全进行，风洞的结构强度至关 重要。 本课题的目的为对f l 一9 低速增压风洞进行强度校核，计算其自振频率， 在气压实验时对洞体的应变进行监测。 图卜3 大型风洞洞体示意圈 堕：j 鎏三些銮兰2 圭兰竺兰三 1 5 本课题主要研究的内容 1 5 1 应力强度校核及变形分析 利用有限元方法，计算风洞洞体在工作压力下应力强度，并按钢制压 力容器一分析设计标准( j b 4 7 3 2 - 9 5 ) 进行强度校核，以判断洞体是否满足强 度要求。分析洞体应力强度分布情况，找出实验时需要监测部位及相应的计 算值，为实验提供依据。 根据有限元计算结果，分析洞体在工作压力下的变形情况。 1 5 2 模态分析 利用有限元方法，计算风洞洞体的自振频率，以确保在工作中不会发生 共振现象，并提取相应的振型。 1 5 3 应变测试 在气压实验时，对危险点的应变进行监测，与计算结果相对照，以确保 气压实验的安全。 哈尔滨工业大学硕士学位论文 第2 章大型风洞分析设计方法要点 2 1 结构强度分析方法 风洞是一个承压结构，结构强度是在分析设计首先需要考虑的，结构强 度直接决定风洞能否安全运行：也可以说是设计成败的关键所在。结构强度 分析按某一强度校核方法，对风洞在设计压力下的应力及其分布进行评定。 有时还需要考虑温度效应、疲劳等因素。 设计压力下的应力，传统的计算是基于弹性力学，利用解析的方法得到 应力分布，这种方法不但工作量繁重，而且依赖于所用的假设模型，这也取 决于设计者的经验。同时这种方法只适用于简单结构，对于复杂结构无法得 到令人满意的结果。 有限元方法的提出，使得这一问题得到很大突破。这种方法不仅适合于 弹性分析，同时也能顺利解决塑性问题，有限元的应用使得对复杂结构的精 确分析成为可能，正是因为有这些优势，现在有限元已成为工程设计必不可 少的辅助工具，被人们引入到越来越多的领域。 有限元方法是一种数值计算方法，它首先将结构离散，得到各个单元节 点力和节点位移的关系，然后形成整体节点力与节点力的关系矩阵即式 ( 2 1 ) ，通过解方程组得到所需的结果，一般为位移和应力。 i 髟胁 - f ( 2 - 1 ) 式中l k i 整体单元刚度矩阵； “ 单元节点位移向量； f 单元载荷向量 2 2 模态分析方法 计算机出现之前，人们得到结构振动模态主要采用实验方法：对于结构 的振动频率，只有把结构简化为梁，而把相应的质量附加到梁上，而得到其 解析解。这种方法一方面精度较差，无法得到完整的振型；另一方面对于复 哈尔滨工业大学硕士学位论文 杂结构只能是束手无策。 一般情况下，满足下列条件的振动问题数学方程为式( 2 2 ) ： 1 ) 适用于结构或流体自由度 2 ) 结构必须满足刚度和质量效应的连续性 3 ) 不考虑阻尼，对于有阻尼的情况，选用阻尼选项 4 ) 结构不受变载荷，不存在位移，丽只是自由振动。 阻 f f ) + k 协 = 0 )( 2 2 ) 式中 l m l 结构的质量阵； “ 位移向量 假定 协 = 劬 jc o s w j l( 2 - 3 ) 式中 ，特征向量； 频率； t 时间 可得到式 ( - w ? 阻】+ 医膨) ，= 0 )( 2 4 ) 当此方程组有根时即可求得一系列的自振频率值。 2 3 应力强度校核方法 2 3 1 应力强度校核标准 强度校核采用钢制压力容器分析设计标准( j b 4 7 3 2 - - 9 5 ) ，此标 准是以分析设计为基础的钢制压力容器标准，并采用应力分类的方法进行强 度校核。 应力分为一次应力、二次应力和峰值应力。一次应力被认为是平衡外载 荷所需的应力，它是非自限性的，即当结构内的塑性去扩展到极限状态时， 即使载荷不再改变，结构仍发生不可限制的塑性流动；二次应力是为满足外 哈尔碾工业大学硕士学位论文 部约束条件以及实现结构自身变形连续所需的应力，它是具有自限性的，小 量变形即可满足要求，而不会导致结构破坏；峰值应力被认为是超出一次和 二次应力之和的附加应力，如局部热应力等。 针对不同的应力种类，标准中给出了不同的应力强度极限，见表2 - 1 ： 表2 - 1 应力强度许用极限 应力种类许用极限 一次总体薄膜应力强度s ， k s 。 一次局部薄膜应力强度s a1 5 k s m 一次薄膜加次弯曲应力强度勋 1 5 k s , , 一次加二次应力强度s 3 品 峰值应力强度s v 考虑疲劳 应力强度是组合应力基于第三强度理论的当量强度，规定为给定点处最 大剪应力的两倍，即给定点处最大主应力及最小主应力的代数值之差。假定 给定点处三个主应力按其大小依次为：毋、，则此点的应力强度即为： ( 盯，j ) 。 表2 1 中的足为载荷组合系数，对于设计载荷为设计压力、容器自重以 及内装物料、附属设备和外部配件的重力载荷时，k 值取1 0 。 表2 1 中的岛为材料的许用应力强度，由材料属性及板厚、使用温度决 定。对于本结构所用1 6 m n r ，其取1 7 0 m p a 2 6 】。 有限元软件的计算结构只能提供一次局部薄膜应力强度s 和一次3 n - - 次应力强度s z v ，故此结构强度校核依据为： 表2 - 2 风洞应力强度许用极限 ( m p a ) 应力种类许用极限 一次局部薄膜应力强度s h 2 5 5 一次加二次应力强度s 5 1 0 2 3 2 有限元结果的应力分类方法 随着计算机技术的发展，有限元作为数值逼近方法已经成为压力容器分 析设计的强有力的手段。分析设计中指出不同的应力类型导致不同类型的破 堕j ：i ：三兰盔兰2 圭：筌生三 坏，为满足工程设计的安全要求，需要对应力进行穷类，并依据其相应的强 度极限进行强度校核。 有限元计算结果给出的是节点的应力值，还需要设计者对结果数据进行 分析，并作应力分类。在实际操作中，一方面对不同种类的应力的认识还存 在分歧，特别是二次应力【2 7 - 3 0 】；另一方面，即使是认为沿壁厚方向均布应力 为薄膜应力，线性分布为二次应力，非线性分布为峰值应力，也很难区分薄 膜应力中的一次和二次成分。目前，因为工程中越来越多的出现各种复杂结 构，难以用解析法进行强度校核，不得不借助有限元的手段，只不过在强度 校核时采取了相对保守的做法h ”。 在压力容器有限元分析中通常设计的单元为轴对称平面单元、三维实体 单元和板壳单元，采用不同单元其结果的应力分类方法有所不同。 2 3 2 1 轴对称单元 压力容器和管道等很多都是采取轴对称结构，且通常所受载荷也具有轴 对称性质，对这类结构的分析通常采用轴对称平面单元，相对于其他两种单 元，它具有建模容易，数据量小的特点。 得到计算结果后，把结构的特殊部位以及应力最大点处沿壁厚的截面作 为应力分析对象。对每个截面的各个应力分量进行等效线性化处理，从而得 出均布应力、线性应力和非线性应力，通常软件给出结果为薄膜应力、薄膜 加弯曲应力、总应力1 3 2 。 在强度校核时一部分设计者把远离不连续部位截面上的均布应力理解为 一次总体薄膜应力、均布应力加线性应力理解为一次薄膜加弯曲应力；不连 续截面上均布应力理解为一次局部薄膜应力、均布应力加线性弯曲应力理解 为一次加二次应力。另一种更保守的做法是，在所有截面中，取最大的薄膜 应力为一次局部薄膜应力；取最大的薄膜加弯曲应力为一次加二次应力；若 存在温度应力，将其作为二次应力成分p x ”j 。 2 3 2 2 三维实体单元 三维实体单元的应力分类方法与轴对称单元相同 3 5 。7 1 ，不同的设计者对 此的处理方法有所不同，主要还是表现在一次总体薄膜应力上。同时对于三 哈尔滨工业大学硕士学位论文 维实体单元，截面选取是一个关键的问题，现在对此存在不同看法1 3 s l ，设计 者还是较多依赖于经验。 2 3 2 。3 板壳单元 板壳单元是三维结构中常用到的单元，相对于三维实体单元，建模方便， 计算规模却要小得多。 软件能给出的结果为中面应力、底面和顶面应力，在不考虑材料菲线性 是中面应力近似为底面和顶面的平均值【3 9 】。设计中可把最大中面应力视为一 次局部薄膜应力，底面和顶面的最大应力视为一次加二次应力1 4 ，若存在温 度应力，作为一次加二次应力成分。实际上在结构不连续的地方中面应力含 有二次应力的成分，所以其一次局部薄膜应力的强度较保守。 壳单元采用了直法线假设，故不能计算出峰值应力。 2 4 本章小结 本章介绍了结构强度和模态的分析方法，同时也介绍了强度校核所采用 的标准。对标准中所采用的应力分类方法进行了详细的介绍，并对应力分类 在有限元中的实现作了总结。 哈尔滨工业大学硕士学位论文 第3 章大型风洞洞体建模关键技术 3 1 大型风洞建模难点 本课题研究的风洞洞体结构巨大，存在多处柱壳和锥壳的连接。洞体表 面分布有横向和纵向筋板。其中稳定段、驻室段和一扩前段还存在内部流道， 内外层之间有支板连接。这使得建模工作量大且有较多难点： 1 ) 合理选择单元，尽可能减少整体模型的单元数，以节省资源，同时满 足精度要求； 2 ) 不同单元间网格的匹配，可能实现的即为共用节点： 3 ) 内外层结构的单元匹配： 4 ) 构成圆方过渡流道和收缩形体的不规则曲面的建模。 3 2 大型风洞建模方式的选择 对于结构有限元，一般情况下是选用熟悉的c a d 软件建立实体模型， 然后将实体模型转化成一定的文件格式，再导入到有限元软件中，进行分网 和计算。这种方法有两大主要优点： 1 ) 专业的c a d 软件建立实体模型的功能强大，操作简便，易于修改参数。 2 ) 可以满足对于复杂的几何形体的建模要求，例如不规则的瞎线和曲面。 但是经验表明，c a d 软件和有限元软件还没有达到无缝集成的地步，模 型在转换过程中常会出错，有时是无法修复的，即使能顺利导入，模型各部 分的几何关系也可能发生改变，最典型的就是在c a d 中粘合在一起的面， 导入有限元软件后这些面之间会出现间隙，这时所需进行的修改工作是很繁 复的，同时有限元软件的缺陷也使得这项工作困难重重。 本课题研究的风洞体积巨大，结构复杂，包含柱壳、锥壳、椭圆壳以及 一些其他构件。但是结构中大多是规则的回转体，并没有有限元软件无法实 现的复杂曲线和曲面。 基于以上方面的考虑，本课题抛开c a d 软件，而在有限元软件中，利 哈尔滨工业大学硕：卜学位论文 用其前处理功能建立模型。 3 3 单元类型的选择 3 3 1 洞体部分 本课题所研究的风洞体积巨大，其纵向中心线尺寸为7 8 m ，横向尺寸为 1 8 m ，壳体最大直径为1 4 5 m ，最小为6 m 。 此次计算要求对洞体作整体计算，计算规模相当大，故壳体部分最好不 采用实体单元；另外，壳体的厚度和直径之比t d 的最大值为0 0 0 3 7 5 ( 第一 二拐角段) ，属于薄壳，所以选用壳单元满足理论要求，也大大降低了计算规 模。 3 3 2 加强筋 为提高风洞洞体的强度，在整个洞体上分布了沿轴向和环向的筋板，但 不同部位上的筋板有不同的高度及厚度。 一般情况下可用壳单元表示筋板，但一方面给实体建模带来困难，另一 方面筋板的高度相对于洞体直径过小，它将限制单元尺寸，提高计算规模。 为解决这些问题，加强筋全部作为梁单元b e a m2 4 处理，此种单元只需要 确定始末节点位置及相应的方向节点即可，同时与之对应的实常数可以实现 不同截面形状的要求。 3 3 3 工字钢和槽钢 风洞驻室段内部采用了较多的工字钢和槽钢，a n s y s 软件提供了梁单元 b e a m1 8 8 ，它已定义好相对于工字钢和槽钢的截面形状，通过不同的实常 数即可得到不同型号的工字钢和槽钢。 3 3 4 导流片及其他部件 位于各拐角段的导流片有较多的构件组成，包括钢管、弧形板等，截面 形状复杂，考虑到它只影响结构的强度，而其自身的应力和变形情况并不是 所关心的内容，如是可以选用梁单元b e a m4 。所要注意的是需要按实际的 截面计算出其截面积及作为梁所具有的弯矩，以此得到其实常数。 风洞中的蜂窝器，以及驻室段内外结构的支撑梁也作相同的处理。 3 4 几个难点的处理方法 在上述讨论的基础上，基本确定了建模方案的主要方向，实际操作中还 需要处理一些难点。 3 4 1 梁单元和壳单元的匹配 梁单元的位置是由结构的实际情况决定的，所以其节点位置都是固定的。 梁单元和壳单元之间发生相互作用有两种途径： 1 ) 共用相同节点，这就必须要求其节点在相同位置： 2 ) 利用耦合节点的方法在节点间生成约束方程。 而耦合的方法需要预先知道相应节点间的位移关系或应力关系，对本课 题来说这是不可能预先得到的，所以必须要求壳单元可梁单元共用节点。 为实现这一目的在对面进行单元划分之前，先对面进行剖分，原则是有 筋板的部位必须将面断开，剖分是可以利用软件中的工作平面对面的分割来 实现。 3 4 2 内外层单元的匹配 稳定段和一扩前段洞体有内外层，内层为流道，内外层之间有大量的支 板，内外层的单元之间必须互相匹配，才可实现其相互作用。这里还是需要 用共用节点的方法达到这一目的，建模时第一步为建立外层实体模型，并按 外层筋板位置的要求进行剖分，然后按内外层连接支板位置进行二次剖分。 哈尔滨工业大学硕士学位论文 3 4 3 流道和收缩型体的建模 稳定段和一扩前段的内层为风洞流道，该流道是不规则型腔，其一端 是圆形，另一端为八角形，中间部位为圆形到八角形的过渡，见图3 1 。这 一不规则曲面型腔，在a n s y s 中无法直接建模，但可以把它看作几个圆锥 面和平面的组合体。 收缩型体的目的是实现圆到方的过渡，同时流道显著收缩，见图3 2 。 这一型体极不规则，考虑到所关心的只是外层壳体上的应力，内层结构只是 对强度有所影响，所以这里对此结构稍作改变，将几个圆锥面的局部连接一 个圆方过渡部分。这大大简化了建模工作，也不至于对结果带来较大影响。 幽3 - 1 圆方过渡流道 3 5 最终有限元模型及约束和载荷 图3 - 21 l 芟缩形体 依据设计单位提供的设计图纸，在有限元软件a n s y s8 0 中建立了风洞 有限元模型如图3 3 ，洞体由s h e l l6 3 单元构成，洞体上的筋板简化为b e a m 2 4 单元，各拐角段的导流片和稳定段的蜂窝器由b e a m4 单元构成，驻室内 的工字钢、槽钢由b e a m1 8 8 单元构成，见图3 - 4 。总体模型包括4 3 4 1 9 个 s h e l l6 3 单元，1 4 5 2 4 个b e a m2 4 单元，1 5 1 个b e a m 4 单元，1 5 9 0 个b e a m 1 8 8 单元，总计5 9 6 8 4 个单元，3 8 6 5 4 个节点。风洞稳定段和一扩前段内层结 构如图3 5 所示。 哈尔滨工业大学硕士学位论文 a ) 俯视图 a ) s h e l l6 3 单元 c 1 b e a m4 单元 图3 - 3 有限元模型 b 1 剖视图 b 、b e a m2 4 单元 d 、b e a m1 8 8 单元 图3 4 各单元类型的有限元模型 1 7 - 哈尔滨工业大学硕士学位论文 i i a ) 稳定段内层结构 b ) 稳定段内层结构剖视图 c ) 一扩前段内层结构d ) 一扩前段内层结构剖视图 图3 - 5 风洞内层结构 为了建模方便，风洞模型中不包括支座模型，而是在支座对应位置施加 约束，其中驻室和风扇段的支座为全约束，其余支座为径向和环向约束。风 洞外层壳体受均匀压力。重力由其质量和重力加速度决定，见图3 - 6 。 哈尔滨工业大学硕士学位论文 3 6 本章小结 图3 - 6 总体有限元模型及约束、载荷 本章介绍了大型风洞有限元模型的建立方法。首先比较了不同建模方式 的优劣，其次分析了不同单元类型的选用，并对建模中需要处理的几个关键 问题作了讨论，最后给出了按此建立的有限元模型。 哈尔滨工业大学硕士学位论文 苎皇詈詈詈詈! 詈! ! ! 竺! 詈= 詈詈! ! 葛詈= 苎皇= 詈詈詈詈! 竺詈暑! ii = 鼍皇詈詈! ! 皇詈! 竺= 詈詈詈詈 第4 章大型风洞应力及变形分析 4 1 整体应力及变形分析 在设计压力o 4 m p a 下，计算风洞洞体应力和变形，考虑有无重力两种 情况。其中重力用重力加速度来模拟，洞体各部分的质量由设计图纸决定， 并折算成相应的材料当量密度，故各段采用不同的材料模型，以实现不同的 密度值( 见表4 - 1 ) ，但材料的弹性模量和泊松比都一致，分别为2 1 0 g p a ，0 3 。 表4 - 1 箨段材料的当量密度( t m 3 ) 第三四拐角段 稳定段其余 一扩第一二拐角段 动力段 洞体导流板 前段 洞体导流板 当量 7 8 31 6 8 l1 0 3 1 87 8 51 0 7 6 49 81 2 9 51 2 6 9 密度 4 。1 1 整体应力分析 图4 1 为无重力时薄膜应力强度云图，图4 2 为有重力时薄膜应力强度 云图。从图4 1 、4 2 中可以得到如下结论： 1 ) 稳定段和第三、四拐角段薄膜应力强度较大，中心固定结构的薄膜应 力强度趋于零。 2 ) 截面直径较大的部位薄膜应力强度值也较大，锥段与直段连接处薄膜 应力强度值较大，支座所在位置薄膜应力强度值较小，洞体顶部高于底部， 拐角段内侧薄膜应力强度值大于外侧。 3 1 薄膜应力强度在有无重力情况下分布一致，在无重力的情况下，最大 薄膜应力强度为1 4 0 m p a ；有重力的情况下，最大薄膜应力强度为1 4 7 6 m p a ， 皆位于一扩前段内外层的连接钢板上：有重力时最大薄膜应力强度高出无重 力时5 4 3 。 图4 3 为无重力时一次加二次应力强度云图，图4 - 4 为有重力时一次加 二次应力强度云图。从图4 3 、4 - 4 中可以看到： 哈尔滨工业大学硕士学位论文 a ) 俯视图b ) 仰视图 图4 1 无重力时薄膜应力强度( m p a l a ) 俯视图b ) 仰视图 图4 - 2 有重力时薄膜应力强度( m p a ) 1 ) 稳定段和第三、四拐角段薄膜应力强度较大。中心固定结构的一次加 二次应力强度趋于零，因为此部位不承受内压。 2 ) 截面直径较大的部位一次加二次应力强度值也较大，锥段与直段连接 处一次加二次应力强度值较大，支座所在位置一次加二次应力强度值较小， 洞体顶部高于底部，拐角段内侧一次加二次应力强度值大于外侧，内侧存在 应力集中。 3 ) 一次加二次应力强度在有无重力情况下分布一致，在无重力的情况下， 最大一次加二次应力强度为2 2 1 8 m p a ，位于稳定段内层结构上；有重力的情 况下，最大一次加二次应力强度为2 2 0 5 m p a ，位于一扩前段内外层的连接钢 板上；有重力时最大一次加二次应力强度与无重力时相差0 5 9 ，可见重力 对一次d h - - 次应力强度影响很小。 哈尔滨工业大学硕士学位论文 4 1 2 变形分析 a ) 俯视图b 1 仰视图 图4 - 3 无重力时一次加二次应力强度( m p a ) a ) 俯视图b ) 仰视图 图4 4 有重力时一次加二次应力强度( m p a ) 从位移云图4 5 、4 - 6 中可以看到： 1 ) 稳定段和第三、四拐角段位移较大，第一、二拐角段位移较小，动力 段和中心固定结构位移趋于零。 2 1 截面直径较大的部位位移值也较大，锥段与直段连接处位移值较大， 洞体顶部明显高于底部，支座对应部位位移为零。 3 ) 位移在有无重力情况下分布一致，在无重力的情况下，最大位移为 5 9 r a m ，位于稳定段直段和锥段连接处；有重力的情况下，最大位移为 哈尔滨工业大学硕士学位论文 1 1 8 m m ，位于一扩前段内外层的连接钢板上：有重力时最大位移为无重力时 的2 倍。 重力对位移影响非常大，一扩前段内外层的连接钢板上的位移主要由重 力作用产生，一扩前段有较大的附加质量，故此钢板的密度也较大，模拟中 所受到的重力远大于其实际的重力，所以实际上此处的位移不会达到计算值 1 】8 m m 。 a ) 俯视图 4 1 3 强度校核 a 1 俯视图 图4 - 5 无重力时位移( m m ) 图4 - 6 有重力时位移( r a m ) 有重力时对结构进行强度校核，见表4 - 2 b ) 仰视图 b 1 仰视图 哈尔滨工业大学硕士学位论文 表4 - 2 应力强度校核( m p a ) 计算值许用值 薄膜应力强度 1 4 7 62 5 5 一次加二次应力强度 2 2 0 5 5 1 0 从表中可以看出，薄膜应力强度计算值低于许用值4 2 1 ；一次加二次 应力强度低于许用值5 6 7 ，此风洞结构具有较大的安全裕度。 为研究洞体的应力强度及变形情况，从整体计算结果中分别提取各段所包 含的单元，相应的以云图显示其应力强度和位移。 4 , 2 第三四拐角段应力及变形分析 4 2 1 第三四拐角段应力分析 图4 7 为第三、四拐角段薄膜应力强度云图，从图中可以看出截面直径 大的部位薄膜应力强度也较大：支座对应位置薄膜应力强度值较小：洞体的 顶部薄膜应力强度高于底部；拐角的内侧出现明显的应力集中，故此处薄膜 应力强度较大，而且在内例偏向顶部的部位尤其显著；从图3 - l o b ) 、d ) 中可 以看到支座根部对应节点附近也出现应力集中，薄膜应力强度的最大值 1 2 7 2 5 m p a 即出现在这个部位。 图4 8 为第三、四拐角段一次加二次应力强度云图，从图中可以看到截 面直径大的部位一次；b p - 次应力强度也较大：支座对应位置一次加二次应力 a 1 俯视图 b 1 仰视图 旦i ：鎏三兰銮兰要圭主兰兰兰 c ) 左视图 d ) 右视图 图4 - 7 薄膜应力强度( m p a ) 强度值较小；洞体的顶部一次加二次应力强度高于底部：拐角的内侧出现明 显的应力集中，故此处一次加二次应力强度较大，而且在内侧偏向顶部的部 位尤其显著，一次加二次应力强度的最大值2 1 1 8 1 m p a 即出现在这个部位； 从图3 1 1 d ) 中可以看到支座根部对应节点附近也出现应力集中。 图4 - 9 为第四拐角段椭圆壳环向应力、轴向应力和应力强度云图。环向 应力的分布与一次加二次应力相同，其规律为：内侧最高，外侧最低，内侧 边缘出现应力集中，最大值也位于内侧边缘，顶部和底部相当，导流片对应 位置未出现明显的应力集中。环向应力最大值1 1 1 8 m p ，一次加二次应力强 度最大值1 1 8 m p a ，两者比较接近，相差5 3 。 轴向应力较小，最大值为7 0 6 m p a ，顶部和底部较大，两侧偏小，最小 值位于内侧。 a 1 俯视图 b 1 仰视图 兰j ：鎏三兰銮主霉圭兰竺兰苎 c)左视图d)右视图 图4 - 8 一次加二次应力强度( m p a ) a ) 环向应力 b 1