高温燃气流超声速热结构风洞扩压器强度及稳定性校核分析

2017-04-18严山林正东王毅熊杰

科技视界 2017年2期

严山　林正东　王毅　熊杰

【摘要】扩压器是高温燃气流速超声速热结构风洞试验装备的重要组成部件，本文根据航空风洞试验结构件强度标准要求的有关规定，基于ANSYS参数化设计语言，模拟仿真了扩压器三大组成部件收缩段、等直段、扩张段同时在真空、大气压和内腔水压三种载荷环境下的承载情况，按工作状态和试验状态两种工况进行了力学分析，获得了扩压器三大组成部件的变形、应力等性能参数，计算结果表明扩压器的结构满足强度、刚度要求，安全使用系数ns>3，整体性能较好，为后续的结构优化提供了依据。

【关键词】扩压器；夹层水冷；有限元法；强度稳定性分析

0 引言

高温燃气流超声速热结构风洞主要包括主加热器、试验段、扩压器等组成，其工作原理为主加热器通过燃烧产生超声速燃气，在试验段内形成低压试验环境对模型进行测试，测试结束后的燃气经过扩压器减速增压排入大气。航空风洞试验结构件强度标准中规定了专用设备的使用技术条件和试验方法。对于扩压器的强度校核一般采用两端封堵抽真空，内腔充水至水压达到1MPa，静置观察内外型腔不应出现影响正常使用的永久变形。为了节约试验成本，提高设计的可靠性，采用有限元方法对扩压器进行静态模拟分析可以在设计阶段给后续的结构优化提供依据。

1 扩压器结构特点

扩压器安装在试验段中，由收缩段、等直段、扩张段三部分组成，前端连接试验段波纹管、后端连接冷却器。前端收缩段、可更换段全部位于試验段内，第一级等直段部分位于试验段内（如图1所示），后端与冷却器法兰对接。扩压器各部段为锥形或圆柱形夹层水冷结构，内外壁之间为纵向水道（如图2所示）。

2 材料属性定义

在进行有限元分析前首先要定义实体模型的实常数和材料属性。扩压器全部段均采用1Cr18Ni9Ti不锈钢中厚板焊接，压力容器用1Cr18Ni9Ti不锈钢厚板材料性能如表1所示：

3 扩压器边界条件

扩压器收缩段、可更换段均位于试验段内，风洞工作时试验段基本为真空环境，收缩段内外筒壁均是承受真空负压。工作时夹层环形水道冷却水压力为1MPa。等直段及扩张段1、扩张段2均位于试验段外，工作时只有内筒壁承受真空负压，外筒壁位于大气环境中，夹层环形水道冷却水压力为1MPa。扩压器各部段水压强度试验压力按压力容器标准取1.25倍设计压力（即1.25MPa内压）。扩压器各部段径向受支撑系统约束，沿轴向可以自由滑动。

4 三大部段有限元分析

4.1 收缩段

通过分析得知，工作状态下收缩段的最大应力在直段水道隔片开口附近，最大变形在水道隔片开口处的内筒上；试验状态下收缩段的最大应力在直段水道隔片开口处附近的外筒上，最大变形在在直段水道隔片开口处附近的内筒上。安全系数>3，满足使用要求。

4.2 等直段

通过分析得知，工作状态下等直段的最大应力在水道筋开口附近，最大变形在内筒壁水道加强筋开口附近；试验状态下等直段的最大应力在水道筋开口附近，最大变形在在内筒壁水道筋开口附近。安全系数>3，满足使用要求。

4.3 扩张段

通过分析得知，工作状态下扩张段的最大应力在靠锥面大端附近水道隔片开口附近，最大变形在靠锥面大端附近水道隔片开口附近的内筒壁；试验状态下扩张段的最大应力在靠锥面大端附近水道隔片开口附近，最大变形在靠锥面大端附近水道隔片开口附近。安全系数>3，满足使用要求。

5 结束语

本文利用ANSYS有限元分析软件对高温燃气流超声速热结构风洞扩压器在工作状态和试验状态两种工况下进行了结构强度及稳定性校核分析，由计算结果可知，扩压器各部段计算安全系数>3，，因此，综合考虑温度因素的影响，扩压器各部段结构满足强度及稳定性要求。

【参考文献】

[1]张洪信.有限元基础理论及ANSYS应用[M].北京：机械工业出版社，2006.

[2]张钰.结构热试验技术[M].北京：宇航出版社，1993.