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

本发明属于风洞壳体设计，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：

1、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。

技术实现思路

1、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。

2、为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

3、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：

4、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；

5、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；

6、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；

7、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。

8、进一步的，步骤s1的具体实现方法包括如下步骤：

9、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；

10、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；

11、大尺寸异形风洞壳体的厚度最小值的计算公式为：

12、；

13、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；

14、大尺寸异形风洞壳体的肋板高度取值需满足以下要求：

15、；

16、其中， h为大尺寸异形风洞壳体的肋板高度；

17、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：

18、；

19、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；

20、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：

21、；

22、其中，a为开孔补强面积，为开孔直径；

23、开孔补强后的壳体厚度需满足以下关系式：

24、；

25、其中，为开孔补强后的大尺寸异形风洞壳体厚度。

26、进一步的，步骤s2的具体实现方法包括如下步骤：

27、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；

28、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；

29、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。

30、进一步的，步骤s3的具体实现方法包括如下步骤：

31、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；

32、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；

33、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：

34、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；

35、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。

36、进一步的，步骤s4的具体实现方法包括如下步骤：

37、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；

38、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；

39、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。

40、本发明的有益效果：

41、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。