一种回流式风洞用非标承压壳体支撑布局设计方法与流程

1.本发明属于风洞设计领域，尤其涉及一种回流式风洞用非标承压壳体支撑布局设计方法。


背景技术：

2.大型风洞的设计必须要考虑的一个问题，便是如何将风洞稳定的支撑在地面上，回流式风洞的主体结构是一个大型复杂的非常规承压结构，其外形为一个环形整体回路，各部段之间力学联系强。风洞结构尺寸巨大，以fl-62风洞为例，其长近100米，宽近30米，最大直径处达18米。由于大型风洞尺寸巨大，且风洞的质量相当可观，对于质量庞大且尺寸巨大的系统，必须仔细考虑支撑系统的设计细节。对风洞壳体结构来讲，支座布局对传力路线有着关键的影响，是决定风洞结构的应力分布的一个关键因素；对支座来讲，不同的支座布局意味着不同的支座型号、类型和数目，将直接影响支撑布局的成本；对于土建来说，支座数目和传递载荷的大小都将直接影响风洞地基的设置以及土建桩基的设置。支撑布局不仅要平衡成本、精度、安全性等多方面内容，还涉及到反复迭代与优化的过程，且时间紧迫，需要在土建施工开始前就完成最优方案选择，因此迫切需要一种准确且高效的方法，完成支撑布局的设计。
3.支撑系统的优化设计涉及到很多设计变量，其优化目标受到多个因素的干扰，具有较强的复杂性，受到多方面的制约，比如支座的数目。对于大尺寸的风洞，如果支座太少，各支座间距离过远，一方面会影响到结构的刚度，另一方面也会因传力路径太远，易产生较大附加力矩，从而对洞体结构的强度造成负担；如果支座过多，可能会在温度载荷作用下，产生严重的内力问题；从成本上讲，过多的支座也会造成成本的增加。
4.大型风洞的支撑系统设计需要考虑的载荷条件复杂，工况条件更多。风洞是承压容器，特别是对于回流式风洞，压力载荷会剧烈影响支反力的分布，不同工况下的温度和压力都会有较明显的变化。不同位置的支座，对不同工况的敏感度不同，需要在设计中综合考虑。支座布局不合理，会严重增加支座间内力，同时增加土建设计难度，也会造成支座在不同工况中载荷波动剧烈，不但使支座选型困难，还会影响支座和土建基础的寿命。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种回流式风洞用非标承压壳体支撑布局设计方法，以解决现有风洞支座支撑布局的设计过程涉及到反复迭代与优化，设计效率低的问题。本发明所采用的技术方案如下：一种回流式风洞用非标承压壳体支撑布局设计方法，包括：步骤一：采用ansys design modeler进行风洞结构有限元几何模型的建立；步骤二：对壳体结构简化部分进行补偿，施加约束和载荷，并形成有限元分析模型；步骤三：调整支座数量，改变支座特性，调整支座位置，分别计算不同布局的支反
力分布；步骤四：根据评价准则对布局进行优选，形成最终支撑布局。
6.在上述技术方案中，所述步骤一的具体步骤为：步骤11：在ansys design modeler中形成初始几何壳体：首先将实体风洞结构转换为由几何面组成的壳体结构，对于存在对称中面的结构，抽取其几何中面形成壳体结构；对于没有对称中面的结构，则选择结构的一个表面作为壳体结构，形成初始几何壳体；步骤12：共享壳体结构的几何拓扑：由于初始几何壳体之间存在间隙，需要将初始几何壳体延长至相交状态，并通过共享拓扑的形式保证后续生成网格的连续性；步骤13：赋予壳体厚度：根据实际所述壳体结构的厚度值，对应赋予几何壳体的厚度值，对于由对称中面形成的几何壳体，网格呈等厚度且关于中面对称，对于由表面形成的几何壳体，在赋予厚度时，将所述表面作为网格的底面，并根据实际壳体结构厚度赋予其变厚度网格。
7.在上述技术方案中，所述步骤二的具体步骤为：步骤21：补偿壳体结构简化部分：对于建模时忽略的风洞结构中刚度较小且质量较大的结构转换为质量点，以补偿其质量属性，通过mpc方法连接到传力处；步骤22：施加约束与载荷：支座约束通过限制位移自由度的方式在对应支座位置施加、压力载荷在壳体的承压内表面施加、对整体壳体结构施加重力载荷、对支座处施加冲击载荷、对扩散段施加温度载荷；步骤23：形成有限元分析模型：在保证多体网格连续性的基础上生成网格，对于无法共享拓扑的结构，采用建立绑定接触的方式将其连接在一起；对于大拉杆处的连接，则通过建立梁单元的方式实现连接，划分网格并进行网格无关性测试。
8.在上述技术方案中，所述步骤三的具体步骤为：步骤31：首先验证支座数目对支反力的影响，通过调整各个部段下面的支座数目，观察在不同工况下支座调整前后的支反力变化；步骤32：当支座数目初步确定时，通过ansys design modeler调整支座位置，通过将支座位置参数化的方法，观察支座反力随工况的变化情况；步骤33：改变选定支座的约束行为，观察支座反力随工况的变化情况。
9.在上述技术方案中，所述评价准则具体为：a：多向滑移支座禁止出现负力；b：温度工况下和压力工况下，各支座反力绝对值之和最小者为优；c：不同工况支座变化剧烈程度低者为优；d：尽可能减少支座数目；e：风洞试验区理论轴线偏差不得大于0.01度。
10.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：风洞的支座布局分析涉及因素多，计算复杂，支座布局设计需要多次迭代，且时间紧、任务重，传统方法只能在载荷相对单一的工况下对支座反力进行估算，对于回流式风洞的复杂载荷情况，缺少快速且准确的解决方法。本方法可以有效解决传统方法的缺点，得益于高还原度的有限元模型，能够准确预知不同布局各个支座的反力情况，特别适合于复杂载荷工况的支反力预测，利用参数化手段，能够快速解决不同布局方案的迭代运算问题。
附图说明
11.图1是具有几何对称中面的模型示意图；图2是图1去除中间面并补齐间隙的模型示意图；图3是图2形成面体的模型示意图；图4是不具有几何对称中面的模型示意图；图5是图4选择一表面作为壳体结构；图6是图5通过赋予厚度属性还原几何特征的模型示意图；图7是实体风洞的主视图；图8是实体风洞的侧视图。
12.图中：1-第二拐角段、2-第一拐角段、3-第一扩散段、4-驻室、5-稳定段、6-第四拐角段、7-第三拐角段、8-换热器、9-第二扩散段、10-驻室小门、11-驻室大门、12-承力墙、13-拐角导流片。
具体实施方式
13.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
14.本发明所提到的连接分为固定连接和可拆卸连接，所述固定连接即为不可拆卸连接包括但不限于折边连接、铆钉连接、粘结连接和焊接连接等常规固定连接方式，所述可拆卸连接包括但不限于螺栓连接、卡扣连接、销钉连接和铰链连接等常规拆卸方式，未明确限定具体连接方式时，默认可在现有连接方式中找到至少一种连接方式实现该功能，本领域技术人员可根据需要自行选择。例如：固定连接选择焊接连接，可拆卸连接选择螺栓连接。
15.以下将结合附图，对本发明作进一步详细说明，以下实施例是对本发明的解释，而本发明并不局限于以下实施例。
16.实施例：如图1-8所示，一种回流式风洞用非标承压壳体支撑布局设计方法，包括：步骤1：在ansys design modeler中形成初始几何壳体：首先将实体风洞结构转换为由几何面组成的壳体结构，对于存在对称中面的结构（风洞中的绝大部分结构都具有对称中面），抽取其几何中面形成壳体结构；对于没有对称中面的结构（在四个拐角段中的导流片，如图4中所示，其为非对称结构），则选择结构的一个表面作为壳体结构，形成初始几何壳体；步骤2：共享壳体结构的几何拓扑：由于初始几何壳体之间存在间隙，需要将初始几何壳体延长至相交状态，并通过共享拓扑的形式保证后续生成网格的连续性；步骤3：赋予壳体厚度：根据实际所述壳体结构的厚度值，对应赋予几何壳体的厚度值，对于由对称中面形成的几何壳体，网格呈等厚度且关于中面对称，对于由表面形成的几何壳体，在赋予厚度时，将所述表面作为网格的底面，并根据实际壳体结构厚度赋予其变厚度网格；对风洞的肋和加强筋，全部采用面体结构还原，驻室大门、导流片、拉钩、支座、大门、小门、隔离门、承力墙等典型突变截面位置的复杂结构，突变截面位置根据实际结构尺
寸建模形成壳体结构；步骤4：补偿壳体结构简化部分：对于建模时忽略的风洞结构中刚度较小且质量较大的结构转换为质量点（具有质量和惯量），以补偿其质量属性，通过mpc（多点约束）方法连接到传力处；步骤5：施加约束与载荷：支座约束通过限制位移自由度的方式在对应支座位置施加、压力载荷在壳体的承压内表面施加（方向平行于表面当地法线）、对整体壳体结构施加重力载荷、对支座处施加冲击载荷、对扩散段9施加温度载荷；步骤6：形成有限元分析模型：在保证多体网格连续性的基础上生成网格，对于无法共享拓扑的结构，采用建立绑定接触的方式将其连接在一起；对于大拉杆处的连接，则通过建立梁单元的方式实现连接，划分网格并进行网格无关性测试；步骤7：在对施加约束的支座位置提取支反力与支反力矩；步骤8：首先验证支座数目对支反力的影响，通过调整各个部段下面的支座数目，观察在不同工况下支座调整前后的支反力变化；变更支座数目：在有限元模型建立阶段，按照部段以等间距方式建立支座，开始分析时，初始支座数目要明显多于实际布局需要的数目，目的是在后续的分析中可以方便的减少支座数量，方法便是在几何模型中通过suppress body（并没有真正删除）的方式，排除落选支座进入后续分析流程；这样的好处是在特殊情况下落选支座可以再次回到分析流程；在逐步减少支座的分析过程中，用支座评价标准考察支座减少带来的影响，当支座减少到一定数目后，无法全部满足支座评价准则时，则停止支座数目变更的分析，开始进入支座位置调整分析；调整支座形式：支座形式有单向滑移、多向滑移和固定支座三种：首先确定固定支座的位置，固定支座的位置一般选择在风洞中质量较大的位置附近，对于回流式风洞，一般会在驻室处和换热器处，如果风洞中主要质量有明显的集中，则优选将固定支座设置在这个部段附近；第二步是调整单向滑移支座的位置，单向滑移支座是只能沿一个方向自由滑动的支座，它是保证风洞轴线的重要手段，副作用是会大幅影响到支反力的分布，在某些温度较高的工况会大幅增加支座间的内力；为避免过高的温度应力出现，原则上应尽量减少单向滑移支座的数目，对于回流式风洞，一般在两个长轴位置需要保证较高的轴线精度，故单向滑移支座需要在两条轴线上选择合适的位置；通过不断调整各个位置的组合，择优选择布局方案；步骤9：当支座数目初步确定时，通过ansys design modeler调整支座位置，通过将支座位置参数化的方法，观察支座反力随工况的变化情况；支座位置调整：以各部段重心位置作为支座位置调整参数原点，沿轴向调整支座距离，并将此距离设置为参数化分析，在ansys design modeler中通过响应面优化分析方法，优选在不同工况下综合效果最好的支座布局；步骤10：改变选定支座的约束行为，观察支座反力随工况的变化情况；所述评价准则具体为：a：多向滑移支座禁止出现负力；对于多向滑移支座，一般会选用成品桥梁支座，这种支座只能承受压力，而不能承受拉力，如果计算结果出现负力，则需要支座具备抗拉能力，会大幅提高支座成本，同时也
说明支座位置设置不合理，这种情况一定可以通过调整支座位置得到改善和消除；b：温度工况下和压力工况下，各支座反力绝对值之和最小者为优；温度和压力是典型的内力，对于合外力为零的工况，支座反力绝对值之和越大，说明支座之间互相干扰越明显，一方面这会增加支座造型压力，另一方面也会增加结构应力水平，当然保证轴线精度要求难免会产生这种情况，但是可以适当调整支座位置及形式，最大程度降低影响；c：不同工况支座变化剧烈程度低者为优；不同工况下，支座的反力情况是有剧烈变化的，由于回流式风洞可能会在各种工况下切换，支座反力的频繁变化会引起支座和地基的疲劳，变化量越大，理论寿命就会越低，因此设计时应选择理论寿命较高的布局；d：尽可能减少支座数目；e：风洞试验区理论轴线偏差不得大于0.01度；轴线偏差是为了维持风洞气流角度偏差在一个合理的范围内，保障试验区的流场品质，计算方法是在风洞沿程截取多个截面，提取变形后截面的中心坐标，将多个截面的中心坐标连接起来，计算其斜率并转换为角度。
17.风洞的支座布局分析涉及因素多，计算复杂，支座布局设计需要多次迭代，且时间紧、任务重，传统方法只能在载荷相对单一的工况下对支座反力进行估算，对于回流式风洞的复杂载荷情况，缺少快速且准确的解决方法。本方法可以有效解决传统方法的缺点，得益于高还原度的有限元模型，能够准确预知不同布局各个支座的反力情况，特别适合于复杂载荷工况的支反力预测，利用参数化手段，能够快速解决不同布局方案的迭代运算问题。
18.以上实施例只是对本发明的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本发明的精神实质，都在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种回流式风洞用非标承压壳体支撑布局设计方法，其特征在于，包括：步骤一：采用ansys design modeler进行风洞结构有限元几何模型的建立；步骤二：对壳体结构简化部分进行补偿，施加约束和载荷，并形成有限元分析模型；步骤三：调整支座数量，改变支座特性，调整支座位置，分别计算不同布局的支反力分布；步骤四：根据评价准则对布局进行优选，形成最终支撑布局。2.根据权利要求1所述的一种回流式风洞用非标承压壳体支撑布局设计方法，其特征在于，所述步骤一的具体步骤为：步骤11：在ansys design modeler中形成初始几何壳体：首先将实体风洞结构转换为由几何面组成的壳体结构，对于存在对称中面的结构，抽取其几何中面形成壳体结构；对于没有对称中面的结构，则选择结构的一个表面作为壳体结构，形成初始几何壳体；步骤12：共享壳体结构的几何拓扑：由于初始几何壳体之间存在间隙，需要将初始几何壳体延长至相交状态，并通过共享拓扑的形式保证后续生成网格的连续性；步骤13：赋予壳体厚度：根据实际所述壳体结构的厚度值，对应赋予几何壳体的厚度值，对于由对称中面形成的几何壳体，网格呈等厚度且关于中面对称，对于由表面形成的几何壳体，在赋予厚度时，将所述表面作为网格的底面，并根据实际壳体结构厚度赋予其变厚度网格。3.根据权利要求2所述的一种回流式风洞用非标承压壳体支撑布局设计方法，其特征在于，所述步骤二的具体步骤为：步骤21：补偿壳体结构简化部分：对于建模时忽略的风洞结构中刚度较小且质量较大的结构转换为质量点，以补偿其质量属性，通过mpc方法连接到传力处；步骤22：施加约束与载荷：支座约束通过限制位移自由度的方式在对应支座位置施加、压力载荷在壳体的承压内表面施加、对整体壳体结构施加重力载荷、对支座处施加冲击载荷、对扩散段施加温度载荷；步骤23：形成有限元分析模型：在保证多体网格连续性的基础上生成网格，对于无法共享拓扑的结构，采用建立绑定接触的方式将其连接在一起；对于大拉杆处的连接，则通过建立梁单元的方式实现连接，划分网格并进行网格无关性测试。4.根据权利要求3所述的一种回流式风洞用非标承压壳体支撑布局设计方法，其特征在于，所述步骤三的具体步骤为：步骤31：首先验证支座数目对支反力的影响，通过调整各个部段下面的支座数目，观察在不同工况下支座调整前后的支反力变化；步骤32：当支座数目初步确定时，通过ansys design modeler调整支座位置，通过将支座位置参数化的方法，观察支座反力随工况的变化情况；步骤33：改变选定支座的约束行为，观察支座反力随工况的变化情况。5.根据权利要求4所述的一种回流式风洞用非标承压壳体支撑布局设计方法，其特征在于，所述评价准则具体为：a：多向滑移支座禁止出现负力；b：温度工况下和压力工况下，各支座反力绝对值之和最小者为优；c：不同工况支座变化剧烈程度低者为优；
d：尽可能减少支座数目；e：风洞试验区理论轴线偏差不得大于0.01度。

技术总结
一种回流式风洞用非标承压壳体支撑布局设计方法，属于风洞设计领域，本发明为了解决现有风洞支座支撑布局设计过程中涉及到的反复迭代与优化问题，特别是设计效率低的问题。通过调整支座数量、改变支座特性和调整支座位置三种手段来解决风洞壳体支撑布局设计问题，分别计算不同布局的支反力分布，再根据评价准则对布局进行优选，形成最终优选支撑布局。优选方法是通过建立有限元几何模型，准确预知不同布局各个支座的反力情况。本方法特别适合于复杂载荷工况的支反力预测，利用参数化手段，能够快速解决不同布局方案的迭代运算问题。能够快速解决不同布局方案的迭代运算问题。能够快速解决不同布局方案的迭代运算问题。


技术研发人员：刘新朝 都鹏杰 崔晓春 袁野 阎莉 杜文天
受保护的技术使用者：中国航空工业集团公司沈阳空气动力研究所
技术研发日：2023.08.01
技术公布日：2023/10/8