一种适用于大尺寸异形风洞突变截面设计方法与流程

1.本发明涉及一种适用于异形风洞突变截面设计方法，属于风洞结构设计技术领域。


背景技术：

2.风洞主体结构是一个大型复杂的非常规承压结构，结构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，长度可达上百米，直径可达近20米；风洞结构突变位置多，截面变化剧烈，对强度预测要求高。鉴于洞体结构复杂且尺寸很大，如果按照常规的设计方法，对于风洞中广泛存在的结构突变位置，准确预测其应力会极其困难且代价高昂，为保证安全，只能采用提高设计安全系数的折衷手段，但对于这个规模尺寸的风洞，安全系数的略微提升都会带来严重的材料浪费。因此，传统设计方法存在设计周期长、设计粗略、经济性差等不足缺点。
3.因此，亟需提出一种适用于大尺寸异形风洞突变截面设计方法，以解决上述技术问题。


技术实现要素：

4.本发明研发解决的是传统设计方法设计周期长、设计粗略、经济性差的问题。在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。
5.本发明的技术方案：一种适用于大尺寸异形风洞突变截面设计方法，包括以下步骤：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：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：通过有限元分析得到突变截面位置的应力分布；步骤四：设计优化和改进。
6.优选的：步骤一包括以下步骤：
①
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，形成初始几何壳体；
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恰好相交，并通过共享拓扑的形式保证后续生成网格的连续性；
③
赋与壳体厚度：根据实际结构的厚度值，对应赋与几何壳体的厚度值，对于由中面形成的几何壳体，网格为等厚度且关于中面对称，对于由表面形成的壳体，在赋厚度时将其作为网格的底面，并根据实际结构厚度赋予其变厚度网格。
7.优选的：所述风洞为环形风洞，适用于大尺寸异形风洞突变截面设计方法的数量
为 ，对风洞的肋和加强筋，全部采用面体结构还原，突变截面位置根据实际结构尺寸建模形成壳体结构。
8.优选的：步骤二包括以下步骤：a.补偿结构简化部分：对于建模中会忽略的风洞结构中刚度较小但质量较大的结构，将其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；b.施加约束与载荷：支座约束通过限制位移自由度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、对全体结构施加重力载荷、在支座处施加冲击载荷，扩散段施加温度载荷；c.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。
9.优选的：所述步骤三中，通过子模型法得到应力分布，识别出危险区域和待改进区域。
10.优选的：所述步骤四中，通过分析风洞突变位置的应力结果，识别强度危险位置，有针对性的对结构突变位置进行设计优化。
11.本发明具有以下有益效果：本发明中，还原度极高的风洞结构有限元几何模型，将真实风洞按1：1比例建立成极高还原度的壳体模型，是保证准确评估风洞截面设计的最基本保障；本发明得到快速且准确的应力分布结果，相对于实体结构，采用壳体模型进行有限元分析，大大降低了分析所需要的计算资源，能够快速识别出结构设计的危险区域和待改进区域；本发明中，设计者根据有限元计算结果，能够准确找到设计更改的改进方向，并完成设计优化的迭代验证；本发明缩短了设计周期长，节约设计经费。
附图说明
12.图1是大尺寸异形风洞的主视图；图2是大尺寸异形风洞的仰视图；图3是大尺寸异形风洞的立体图；图4是图1中a-a剖视图；图5是第一隔离门示意图；图6是第二隔离门示意图；图7是突变位置结构示意图；图8是抽取具有对称面结构的几何中面形成壳体模型图；图9是将不具有对称结构的几何结构形成壳体模型图；图中1-二拐段，2-一拐段，3-第一扩散段，4-驻室，5-稳定段，6-四拐段，7-三拐段，8-换热器，9-第二扩散段，10-前隔离门，11-驻室大门，12-隔离门，13-导流片，14-拉钩，15-大门，16-小门。
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.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
15.具体实施方式一：结合图1-9说明本实施方式，本实施方式的一种适用于大尺寸异形风洞突变截面设计方法，包括以下步骤：步骤一：采用ansys design modeler进行风洞结构有限元几何模型的建立；步骤一包括以下步骤：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，形成初始几何壳体；
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恰好相交，并通过共享拓扑的形式保证后续生成网格的连续性；
③
赋与壳体厚度：根据实际结构的厚度值，对应赋与几何壳体的厚度值，对于由中面形成的几何壳体，网格为等厚度且关于中面对称，对于由表面形成的壳体，在赋厚度时将其作为网格的底面，并根据实际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；步骤二：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；步骤二包括以下步骤：a.补偿结构简化部分：对于建模中会忽略的风洞结构中刚度较小但质量较大的结构，将其转换为质量点（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；b施加约束与载荷：支座约束通过限制位移自由度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）、对全体结构施加重力载荷、在支座处施加冲击载荷，在图1所示的扩散段9施加温度载荷；c.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三：通过有限元分析得到变截面和突变位的应力分布，通过子模型法得到应力分布，识别出危险区域和待改进区域；
子模型法是将应力变化剧烈或应力集中区域等重点关注部位从整体模型中取出，单独对网格二次加密并进行计算的一种分析方法；圣维南原理认为：实际荷载可用等效荷载来代替，这种代替只会使荷载施加的位置附近的应力和应变有所改变，但对较远的区域基本没有影响；当子模型切割边界距离关键部位足够远时，就可以通过子模型法计算得到较精确的结果；步骤四：设计优化和改进，通过分析风洞突变位置的应力结果，可以识别强度危险位置，有针对性的对结构突变位置进行设计优化；根据应力分布情况设计改进方案，修改模型后并重新进行有限元分析，观察突变位置的应力值，直到突变位置的应力是否满足设计需求为止。
16.以换热器封头的设计为例，在风洞中换热器是结构直径最大的部段，换热器封头处的应力是设计者十分关注的应力区域之一，此处应力受到热、变形、压力等多方面影响，因此换热器封头应力较大，在初始设计中，封头应力过大，超出设计要求，设计者根据计算有限元计算结果将封头尺寸与形状进行改进，改进后进行验证计算，结果表明封头应力值得到明显的改善，出口处封头应力最大下降了62mpa，各个工况都下降了23%以上，最大降幅达到27.5%；入口处封头应力最大下降了46mpa，最大降幅达35.1%，改进后的设计应力满足设计要求，说明通过有限元方法对复杂风洞壳体结构突变和变截面位置有很好的识别和改进作用，能有效的降低结构设计风险，缩短了设计周期，很好的起到降本增效的作用；风洞为大尺寸异形风洞，大尺寸异形风洞包括九个部段，（注：部段是采用壳单元方法生成的，每个部段都包含很多个壳体单元），九个部段分别为二拐段1、一拐段2、第一扩散段3、驻室4、稳定段5、四拐段6、三拐段7、换热器8、第二扩散段9，二拐段1、一拐段2、第一扩散段3、驻室4、稳定段5、四拐段6、三拐段7、换热器8、第二扩散段9顺次连接形成大尺寸异形风洞，对于风洞洞体这类厚径比非常小的结构，采用实体模型分析成本是极其高昂的，风洞壳体的厚度与直径之比在换热器处为0.0017，属于典型的薄壳结构，因此适合于采用壳单元建模；典型的突变截面位置如图6中所示，多个承力结构安装在壳体上，并且相互之间出现了几何交叉，形状极其复杂且不规则；此类突变截面位置在风洞中各个部段中广泛存在，图6展示的为最具代表性的突变截面形式。
17.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
18.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
19.在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、
垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
20.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
21.需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
22.需要说明的是，在以上实施例中，只要不矛盾的技术方案都能够进行排列组合，本领域技术人员能够根据排列组合的数学知识穷尽所有可能，因此本发明不再对排列组合后的技术方案进行一一说明，但应该理解为排列组合后的技术方案已经被本发明所公开。
23.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。