用于复杂温度与压力下的大尺寸异形风洞壳体的设计方法与流程

1.本发明属于风洞壳体设计技术领域，具体涉及用于复杂温度与压力下的大尺寸异形风洞壳体的设计方法。


背景技术：

2.随着我国航空产业的发展，为了适应不同海拔高度、不同马赫数的风洞模拟试验需求，近年来我国设计建设了多座大尺寸连续式跨声速风洞。作为大尺寸连续式风洞的主体结构，承压壳体多为异形复杂结构，且需要具备承受各种复杂工况载荷的能力，为了使其具有更优的结构方案和更高的使用性能，需要研究一种适用于复杂温度与压力工况下大尺寸异形风洞壳体的设计方法。


技术实现要素：

3.本发明要解决的问题是异形风洞壳体在复杂工况下的设计难题，提出用于复杂温度与压力下的大尺寸异形风洞壳体的设计方法。
4.为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：用于复杂温度与压力下的大尺寸异形风洞壳体的设计方法，包括如下步骤：s1、基于气动设计的大尺寸连续式跨声速风洞气动轮廓，结合大尺寸连续式跨声速风洞的设计压力和设计温度，初步设计大尺寸异形风洞壳体结构；s2、对步骤s1得到的大尺寸异形风洞壳体结构进行模型处理，然后按照大尺寸异形风洞尺寸1：1的比例建立大尺寸异形风洞壳体结构有限元仿真模型；s3、采集大尺寸连续式跨声速风洞的使用工况数据，包括纯重力工况数据、调试工况数据和试验工况数据，然后仿真分析得到不同使用工况下的大尺寸异形风洞壳体各部段的温度和压力载荷数据；s4、将步骤s3得到的不同使用工况下的大尺寸异形风洞壳体各部段的温度和压力载荷数据输入步骤s2建立的大尺寸异形风洞壳体结构有限元仿真模型，进行仿真分析计算大尺寸异形风洞壳体结构的强度，对强度不满足大尺寸异形风洞壳体结构的设计要求的区域进行结构补强，然后再次进行进行仿真分析，直至满足大尺寸异形风洞壳体结构的设计要求。
5.进一步的，步骤s1的具体实现方法包括如下步骤：s1.1、基于气动设计的大尺寸连续式跨声速风洞气动轮廓，对大尺寸异形风洞壳体进行功能性的部段划分，所述大尺寸异形风洞壳体部段包括驻室段、收缩段、第一扩散段、第一拐角段、第一过渡段、第二拐角段、动力段、第二扩散段、冷却段、第三拐角段、第二过渡段、第四拐角段、稳定段；s1.2、对步骤s1.1得到的大尺寸异形风洞壳体部段，基于大尺寸异形风洞壳体的内表面尺寸、厚度、肋板高度及间距的参数初步设计大尺寸异形风洞壳体结构；大尺寸异形风洞壳体的厚度最小值的计算公式为：
；其中，为大尺寸异形风洞壳体的最小厚度，为大尺寸异形风洞壳体的压力，d为大尺寸异形风洞壳体的内表面直径，为设计温度t下大尺寸异形风洞壳体材料的许用应力；大尺寸异形风洞壳体的肋板高度取值需满足以下要求：；其中，h为大尺寸异形风洞壳体的肋板高度；大尺寸异形风洞壳体的相邻肋板的间距最大值的计算公式为：；其中，为大尺寸异形风洞壳体的相邻肋板的间距最大值，为大尺寸异形风洞壳体的厚度，为系数，mm时，z=2.1，mm，z=2.2；s1.3、基于步骤s1.2得到的初步设计的大尺寸异形风洞壳体结构，根据风洞的具体使用要求设置结构开口，结构开口包括便于设备使用、维护和更换的通道、人孔、观察窗、测量监控设备安装孔，对结构开口进行开孔补强，开孔补强面积的计算公式为：；其中，a为开孔补强面积，为开孔直径；开孔补强后的壳体厚度需满足以下关系式：；其中，为开孔补强后的大尺寸异形风洞壳体厚度。
6.进一步的，步骤s2的具体实现方法包括如下步骤：s2.1、对步骤s1得到的大尺寸异形风洞壳体结构进行模型处理，删除开口直径小于等于89mm的结构开口，得到经过模型处理的大尺寸异形风洞壳体结构；s2.2、对步骤s2.1经过模型处理的大尺寸异形风洞壳体结构，在有限元仿真中利用壳体单元进行建立大尺寸异形风洞壳体结构有限元仿真模型；s2.3、对步骤s2.2建立的大尺寸异形风洞壳体结构有限元仿真模型进行二维网格划分。
7.进一步的，步骤s3的具体实现方法包括如下步骤：s3.1、采集大尺寸连续式跨声速风洞的使用工况数据，包括纯重力工况数据、调试工况数据和试验工况数据，所述的纯重力工况是指大尺寸连续式跨声速风洞在常温常压下的工况，调试工况是指大尺寸连续式跨声速风洞仅承受最大或最小压力载荷作用的工况；试验工况是指大尺寸连续式跨声速风洞承受不同温度和不同压力载荷共同作用的工况；s3.2、归纳总结所有大尺寸连续式跨声速风洞的使用工况，并仿真得到不同使用工况下的大尺寸异形风洞壳体各部段的温度和压力载荷数据；s3.3、对所有使用工况进行对比分析，提取极端使用工况，所述的极端使用工况包
括以下两种工况：工况一：当风洞处于最高温度时，提取其所能达到的极限压力值，将此最高温度和极限压力值组成工况一；工况二：当风洞处于最大压力时，提取其所能达到的极限温度值，将此最大压力和极限温度值组成工况二。
8.进一步的，步骤s4的具体实现方法包括如下步骤：s4.1、对纯重力工况进行分析计算及结构补强：将纯重力工况下的载荷施加在大尺寸异形风洞壳体结构有限元仿真模型上，计算得到纯重力工况下大尺寸异形承压壳体的强度计算结果，对比计算应力值是否大于材料的许用应力，若计算应力值大于材料的许用应力则进行结构补强，所述结构补强补强方法为加厚壳体厚度、加高肋板高度、加密肋板间距、改变局部结构减缓应力突变、减小应力集中区域中的一种，结构补强后重新计算该工况下的应力值，直至计算应力值小于材料许用应力，满足设计条件为止；s4.2、对调试工况进行分析计算及结构补强：对大尺寸异形风洞壳体结构有限元仿真模型施加调试工况的压力载荷，得到调试工况下的大尺寸异形承压壳体的强度计算结果，然后进行结构补强；s4.3、对试验工况进行分析计算及结构补强：对大尺寸异形风洞壳体结构有限元仿真模型施加分别施加步骤s3.3中提取的极端使用工况的载荷，计算试验工况下的大尺寸异形承压壳体的强度计算结果，然后进行结构补强。
9.本发明的有益效果：本发明所述的用于复杂温度与压力下的大尺寸异形风洞壳体的设计方法，适用于大尺寸异形风洞壳体在复杂温度与压力工况下的结构设计，能够有效的解决大尺寸连续式跨声速风洞的承压壳体设计问题，规范设计流程，降低设计风险，提高风洞整体的可行性和安全性。
附图说明
10.图1为本发明所述的用于复杂温度与压力下的大尺寸异形风洞壳体的设计方法的流程图；图2为本发明所述的用于复杂温度与压力下的大尺寸异形风洞壳体结构有限元仿真模型的结构示意图；图2中1为驻室段、2为收缩段、3为第一扩散段、4为第一拐角段、5为第一过渡段、6为第二拐角段、7为动力段、8为第二扩散段、9为冷却段、10为第三拐角段、11为第二过渡段、12为第四拐角段、13为稳定段。
具体实施方式
11.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的具体实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的具体实施方式。通常在此处附图中描述和展示的本发明具体实施方式的组件可以以各种不同的配置来布置和设计，本发明还可以具有其他实施方式。
12.因此，以下对在附图中提供的本发明的具体实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定具体实施方式。基于本发明的具体实施方式，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他具体实施方式，都属于本发明保护的范围。
13.为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下具体实施方式，并配合附图1和附图2详细说明如下：具体实施方式一：
14.一种用于复杂温度与压力下的大尺寸异形风洞壳体的设计方法，包括如下步骤：s1、基于气动设计的大尺寸连续式跨声速风洞气动轮廓，结合大尺寸连续式跨声速风洞的设计压力和设计温度，初步设计大尺寸异形风洞壳体结构；进一步的，步骤s1的具体实现方法包括如下步骤：s1.1、基于气动设计的大尺寸连续式跨声速风洞气动轮廓，对大尺寸异形风洞壳体进行功能性的部段划分，所述大尺寸异形风洞壳体部段包括驻室段、收缩段、第一扩散段、第一拐角段、第一过渡段、第二拐角段、动力段、第二扩散段、冷却段、第三拐角段、第二过渡段、第四拐角段、稳定段；s1.2、对步骤s1.1得到的大尺寸异形风洞壳体部段，基于大尺寸异形风洞壳体的内表面尺寸、厚度、肋板高度及间距的参数初步设计大尺寸异形风洞壳体结构；大尺寸异形风洞壳体的厚度最小值的计算公式为：；其中，为大尺寸异形风洞壳体的最小厚度，为大尺寸异形风洞壳体的压力，d为大尺寸异形风洞壳体的内表面直径，为设计温度t下大尺寸异形风洞壳体材料的许用应力；大尺寸异形风洞壳体的肋板高度取值需满足以下要求：；其中，h为大尺寸异形风洞壳体的肋板高度；大尺寸异形风洞壳体的相邻肋板的间距最大值的计算公式为：；其中，为大尺寸异形风洞壳体的相邻肋板的间距最大值，为大尺寸异形风洞壳体的厚度，为系数，mm时，z=2.1，mm，z=2.2；s1.3、基于步骤s1.2得到的初步设计的大尺寸异形风洞壳体结构，根据风洞的具体使用要求设置结构开口，结构开口包括便于设备使用、维护和更换的通道、人孔、观察窗、测量监控设备安装孔，对结构开口进行开孔补强，开孔补强面积的计算公式为：；其中，a为开孔补强面积，为开孔直径；开孔补强后的壳体厚度需满足以下关系式：
；其中，为开孔补强后的大尺寸异形风洞壳体厚度；s2、对步骤s1得到的大尺寸异形风洞壳体结构进行模型处理，然后按照大尺寸异形风洞尺寸1：1的比例建立大尺寸异形风洞壳体结构有限元仿真模型；进一步的，步骤s2的具体实现方法包括如下步骤：s2.1、对步骤s1得到的大尺寸异形风洞壳体结构进行模型处理，删除开口直径小于等于89mm的结构开口，得到经过模型处理的大尺寸异形风洞壳体结构；对于中面曲率半径与壳体厚度之比大于等于20的薄壳结构，在有限元仿真中用壳体单元进行建模，所述的壳体中面是指与壳体内、外表面等距的点所组成的曲面，其中壳体的内、外表面是指围成壳体的内、外两个曲面；壳体厚度是指内外表面之间的中面法线长度；s2.2、对步骤s2.1经过模型处理的大尺寸异形风洞壳体结构，在有限元仿真中利用壳体单元进行建立大尺寸异形风洞壳体结构有限元仿真模型；s2.3、对步骤s2.2建立的大尺寸异形风洞壳体结构有限元仿真模型进行二维网格划分；s3、采集大尺寸连续式跨声速风洞的使用工况数据，包括纯重力工况数据、调试工况数据和试验工况数据，然后仿真分析得到不同使用工况下的大尺寸异形风洞壳体各部段的温度和压力载荷数据；进一步的，步骤s3的具体实现方法包括如下步骤：s3.1、采集大尺寸连续式跨声速风洞的使用工况数据，包括纯重力工况数据、调试工况数据和试验工况数据，所述的纯重力工况是指大尺寸连续式跨声速风洞在常温常压下的工况，调试工况是指大尺寸连续式跨声速风洞仅承受最大或最小压力载荷作用的工况；试验工况是指大尺寸连续式跨声速风洞承受不同温度和不同压力载荷共同作用的工况；s3.2、归纳总结所有大尺寸连续式跨声速风洞的使用工况，并仿真得到不同使用工况下的大尺寸异形风洞壳体各部段的温度和压力载荷数据；s3.3、对所有使用工况进行对比分析，提取极端使用工况，所述的极端使用工况包括以下两种工况：工况一：当风洞处于最高温度时，提取其所能达到的极限压力值，将此最高温度和极限压力值组成工况一；工况二：当风洞处于最大压力时，提取其所能达到的极限温度值，将此最大压力和极限温度值组成工况二；s4、将步骤s3得到的不同使用工况下的大尺寸异形风洞壳体各部段的温度和压力载荷数据输入步骤s2建立的大尺寸异形风洞壳体结构有限元仿真模型，进行仿真分析计算大尺寸异形风洞壳体结构的强度，对强度不满足大尺寸异形风洞壳体结构的设计要求的区域进行结构补强，然后再次进行进行仿真分析，直至满足大尺寸异形风洞壳体结构的设计要求。
15.进一步的，步骤s4的具体实现方法包括如下步骤：s4.1、对纯重力工况进行分析计算及结构补强：将纯重力工况下的载荷施加在大尺寸异形风洞壳体结构有限元仿真模型上，计算得到纯重力工况下大尺寸异形承压壳体的
强度计算结果，对比计算应力值是否大于材料的许用应力，若计算应力值大于材料的许用应力则进行结构补强，所述结构补强补强方法为加厚壳体厚度、加高肋板高度、加密肋板间距、改变局部结构减缓应力突变、减小应力集中区域中的一种，结构补强后重新计算该工况下的应力值，直至计算应力值小于材料许用应力，满足设计条件为止；s4.2、对调试工况进行分析计算及结构补强：对大尺寸异形风洞壳体结构有限元仿真模型施加调试工况的压力载荷，得到调试工况下的大尺寸异形承压壳体的强度计算结果，然后进行结构补强；s4.3、对试验工况进行分析计算及结构补强：对大尺寸异形风洞壳体结构有限元仿真模型施加分别施加步骤s3.3中提取的极端使用工况的载荷，计算试验工况下的大尺寸异形承压壳体的强度计算结果，然后进行结构补强；进一步的，在不同温度下，材料的许用应力会随着温度的上升而逐步降低，在比对计算应力是否满足强度要求时，应与该工况温度下的材料的许用应力进行对比。
16.需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
17.虽然在上文中已经参考具体实施方式对本技术进行了描述，然而在不脱离本技术的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，本技术所披露的具体实施方式中的各项特征均可通过任意方式相互结合 起来使用，在本说明书中未对这些组合的情况进行穷举性的描述仅仅是出于省略篇幅和节 约资源的考虑。因此，本技术并不局限于文中公开的特定具体实施方式，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

技术特征：
1.一种用于复杂温度与压力下的大尺寸异形风洞壳体的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：s1、基于气动设计的大尺寸连续式跨声速风洞气动轮廓，结合大尺寸连续式跨声速风洞的设计压力和设计温度，初步设计大尺寸异形风洞壳体结构；s2、对步骤s1得到的大尺寸异形风洞壳体结构进行模型处理，然后按照大尺寸异形风洞尺寸1：1的比例建立大尺寸异形风洞壳体结构有限元仿真模型；s3、采集大尺寸连续式跨声速风洞的使用工况数据，包括纯重力工况数据、调试工况数据和试验工况数据，然后仿真分析得到不同使用工况下的大尺寸异形风洞壳体各部段的温度和压力载荷数据；s4、将步骤s3得到的不同使用工况下的大尺寸异形风洞壳体各部段的温度和压力载荷数据输入步骤s2建立的大尺寸异形风洞壳体结构有限元仿真模型，进行仿真分析计算大尺寸异形风洞壳体结构的强度，对强度不满足大尺寸异形风洞壳体结构的设计要求的区域进行结构补强，然后再次进行进行仿真分析，直至满足大尺寸异形风洞壳体结构的设计要求。2.根据权利要求1所述的一种用于复杂温度与压力下的大尺寸异形风洞壳体的设计方法，其特征在于，步骤s1的具体实现方法包括如下步骤：s1.1、基于气动设计的大尺寸连续式跨声速风洞气动轮廓，对大尺寸异形风洞壳体进行功能性的部段划分，所述大尺寸异形风洞壳体部段包括驻室段、收缩段、第一扩散段、第一拐角段、第一过渡段、第二拐角段、动力段、第二扩散段、冷却段、第三拐角段、第二过渡段、第四拐角段、稳定段；s1.2、对步骤s1.1得到的大尺寸异形风洞壳体部段，基于大尺寸异形风洞壳体的内表面尺寸、厚度、肋板高度及间距的参数初步设计大尺寸异形风洞壳体结构；大尺寸异形风洞壳体的厚度最小值的计算公式为：；其中，为大尺寸异形风洞壳体的最小厚度，为大尺寸异形风洞壳体的压力，d为大尺寸异形风洞壳体的内表面直径，为设计温度t下大尺寸异形风洞壳体材料的许用应力；大尺寸异形风洞壳体的肋板高度取值需满足以下要求：；其中，h为大尺寸异形风洞壳体的肋板高度；大尺寸异形风洞壳体的相邻肋板的间距最大值的计算公式为：；其中，为大尺寸异形风洞壳体的相邻肋板的间距最大值，为大尺寸异形风洞壳体的厚度，为系数，mm时，z=2.1，mm，z=2.2；s1.3、基于步骤s1.2得到的初步设计的大尺寸异形风洞壳体结构，根据风洞的具体使用要求设置结构开口，结构开口包括便于设备使用、维护和更换的通道、人孔、观察窗、测量
监控设备安装孔，对结构开口进行开孔补强，开孔补强面积的计算公式为：；其中，a为开孔补强面积，为开孔直径；开孔补强后的壳体厚度需满足以下关系式：；其中，为开孔补强后的大尺寸异形风洞壳体厚度。3.根据权利要求1或2所述的一种用于复杂温度与压力下的大尺寸异形风洞壳体的设计方法，其特征在于，步骤s2的具体实现方法包括如下步骤：s2.1、对步骤s1得到的大尺寸异形风洞壳体结构进行模型处理，删除开口直径小于等于89mm的结构开口，得到经过模型处理的大尺寸异形风洞壳体结构；s2.2、对步骤s2.1经过模型处理的大尺寸异形风洞壳体结构，在有限元仿真中利用壳体单元进行建立大尺寸异形风洞壳体结构有限元仿真模型；s2.3、对步骤s2.2建立的大尺寸异形风洞壳体结构有限元仿真模型进行二维网格划分。4.根据权利要求3所述的一种用于复杂温度与压力下的大尺寸异形风洞壳体的设计方法，其特征在于，步骤s3的具体实现方法包括如下步骤：s3.1、采集大尺寸连续式跨声速风洞的使用工况数据，包括纯重力工况数据、调试工况数据和试验工况数据，所述的纯重力工况是指大尺寸连续式跨声速风洞在常温常压下的工况，调试工况是指大尺寸连续式跨声速风洞仅承受最大或最小压力载荷作用的工况；试验工况是指大尺寸连续式跨声速风洞承受不同温度和不同压力载荷共同作用的工况；s3.2、归纳总结所有大尺寸连续式跨声速风洞的使用工况，并仿真得到不同使用工况下的大尺寸异形风洞壳体各部段的温度和压力载荷数据；s3.3、对所有使用工况进行对比分析，提取极端使用工况，所述的极端使用工况包括以下两种工况：工况一：当风洞处于最高温度时，提取其所能达到的极限压力值，将此最高温度和极限压力值组成工况一；工况二：当风洞处于最大压力时，提取其所能达到的极限温度值，将此最大压力和极限温度值组成工况二。5.根据权利要求4所述的一种用于复杂温度与压力下的大尺寸异形风洞壳体的设计方法，其特征在于，步骤s4的具体实现方法包括如下步骤：s4.1、对纯重力工况进行分析计算及结构补强：将纯重力工况下的载荷施加在大尺寸异形风洞壳体结构有限元仿真模型上，计算得到纯重力工况下大尺寸异形承压壳体的强度计算结果，对比计算应力值是否大于材料的许用应力，若计算应力值大于材料的许用应力则进行结构补强，所述结构补强补强方法为加厚壳体厚度、加高肋板高度、加密肋板间距、改变局部结构减缓应力突变、减小应力集中区域中的一种，结构补强后重新计算该工况下的应力值，直至计算应力值小于材料许用应力，满足设计条件为止；s4.2、对调试工况进行分析计算及结构补强：对大尺寸异形风洞壳体结构有限元仿真模型施加调试工况的压力载荷，得到调试工况下的大尺寸异形承压壳体的强度计算结果，然后进行结构补强；
s4.3、对试验工况进行分析计算及结构补强：对大尺寸异形风洞壳体结构有限元仿真模型施加分别施加步骤s3.3中提取的极端使用工况的载荷，计算试验工况下的大尺寸异形承压壳体的强度计算结果，然后进行结构补强。

技术总结
用于复杂温度与压力下的大尺寸异形风洞壳体的设计方法，属于风洞壳体设计技术领域。为解决异形风洞壳体在复杂工况下的设计难题。本发明基于气动设计的大尺寸连续式跨声速风洞气动轮廓，结合大尺寸连续式跨声速风洞的设计压力和设计温度，初步设计大尺寸异形风洞壳体结构；按照大尺寸异形风洞尺寸1：1的比例建立大尺寸异形风洞壳体结构有限元仿真模型；采集大尺寸连续式跨声速风洞的使用工况数据，仿真分析得到不同使用工况下的大尺寸异形风洞壳体各部段的温度和压力载荷数据；进行仿真分析计算大尺寸异形风洞壳体结构的强度，对强度不满足大尺寸异形风洞壳体结构的设计要求的区域进行结构补强。本发明适用于在复杂温度与压力工况下的结构设计。压力工况下的结构设计。压力工况下的结构设计。


技术研发人员：都鹏杰 袁野 刘新朝 崔晓春 阎莉
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：2023.04.26
技术公布日：2023/7/21