单层球形网壳结构在风场中的仿真研究*

2021-08-23范景峰黄双成梅二召薛笑运汤小宁

机械制造 2021年7期

□ 范景峰 □ 黄双成 □ 梅二召 □ 薛笑运 □ 汤小宁

1.河南应用技术职业学院机电工程学院郑州 450042 2.郑州机械研究所新型钎焊材料与技术国家重点实验室郑州 450001

1 研究背景

针对目前大型军舰上雷达天线的保护,提出一种新型大型天线雷达罩——单层球形网壳。单层球形网壳由多个三角框按照一定的规律组装而成。三角框周边是金属杆件,三角框贴膜采用具有防水防老化的特殊材料,并在贴膜过程中产生一定的预张力,以提高单层球形网壳的稳定性。单层球形网壳具有结构简单、刚性高、遮挡面积小等优点,在航空航天、气象卫星天线、卫星接收天线等方面有较广的应用[1]。

单层球形网壳直径大多数为2～60 m不等,结构向大跨度、大直径、轻质化等发展。由于单层球形网壳的应用环境比较复杂[2],因此在设计过程中应充分考虑载荷条件,并根据相应的设计准则进行有效设计和试验。不同单层球形网壳结构,设计风速不同,受到的风载也不同,不同矢径比对网壳结构的稳定性有重要影响。目前,大多数文献针对典型形体空间结构的风荷载分布特性进行研究,多为矢跨比对网壳的影响,很少有研究矢径比对网壳的影响。

单层球形网壳处于风载环境下,迎风面是正压,而在球面的部分区域,负压将占主导地位。因此,球面整体风压分布十分复杂,如果仅仅考虑正压影响,将会带来严重的计算偏差,对单层球形网壳的结构设计产生直接影响。对此,笔者采用一种相对准确的方法来确定球形网壳的分布及合理性[3-5]。

2 流场计算域

单层球形网壳由多个三角框按照一定的规律组合而成,每个三角框均用一定厚度的膜包覆起来,单层球形网壳外形基本趋近于理想球面。按照网壳尺寸,参考已有文献[6-7],选取流场计算域长为325 m,宽为100 m,高为100 m。为了满足阻塞率小于4%的要求,网壳安放在距风向入口的1/3处,便于最大限度减小流场计算域对网壳附近流场的干扰。理想球面的计算域及放置与单层球形网壳完全相同。单层球形网壳模型和理想球面模型如图1所示。

▲图1 计算模型

3 网格划分

单层球形网壳的网格划分类型很多,其中,网格划分比较均匀、受力较为合理的有凯威特型和短程线型[8],凯威特型在工程实际中应用最为广泛。

理想球面采用C-BLOCK六面体结构化网格划分[9],理想球面底部映射如图2所示,理想球面映射如图3所示。

▲图2 理想球面底部映射▲图3 理想球面映射

理想球面与单层球形网壳网格划分结果见表1。

表1 网格划分结果

4 FLUENT软件求解计算

FLUENT软件应用于航空航天、汽车、机械等行业,目前集成在ANSYS Workbench软件中。FLUENT软件多用于流场研究分析,特别对于复杂流动问题的研究,是比较专业和成熟的软件[10]。经过网格划分,理想球面模型得到的网格质量相对较高,将理想球面生成的网格经ICEM软件与FLUENT软件之间的接口导入FLUENT软件,对网格质量参数进行检测,网格中最小单元体体积大于0,基本符合网格划分要求。

利用绝对速度方程压力求解器,求解定常流动。通过对模型分析,采用标准k-ε两方程模型。材料选用默认的固体铝和流体空气,对边界条件进行设置。入口速度为67 m/s,出口压力设为0,壁面与球面均取默认壁面设置。

压力-速度耦合方式选用SIMPLE算法,梯度选择Least squares cell based,压力采用Standard格式,动量方程、湍流脉动能量、湍流耗散率采用一阶迎风格式,其它设置取默认。选择Inlet初始化流场,使整个流场中的初始状态与边界Inlet上的流场状态基本相同,然后进行迭代计算求解[11]。

5 求解结果分析

通过求解迭代计算,理想球面与单层球形网壳均能实现收敛,两者的收敛曲线如图4所示。单层球形网壳与理想球面风场合力比较见表2。

▲图4 收敛曲线

由图4可知,理想球面模型迭代收敛速度明显比单层球形网壳模型快。由表2可得,两者的水平合力误差不大于7.7%,竖直提升力误差小于1%。

表2 风场合力比较 kN

风压是垂直于气流方向的平面所受到的风的正压力[12]。在实际环境中,单层球形网壳和理想球面均受到风压的影响,因此研究单层球形网壳和理想球面在现实环境中所受的风压是必要的。由伯努利方程得到用风速估计风压的通用公式为:

P=v2/1 600

(1)

式中:P为风压,kPa;v为风速,m/s。

通过计算,单层球形网壳在67 m/s风速下的风压为2.81 kPa。

由FLUENT软件的求解计算结果得出理想球面表面的风压分布,如图5所示。理想球面、单层球形网壳,以及采用式(1)计算得到的正压对比见表3。

▲图5 理想球面表面风压分布

表3 正压对比 kPa

由图5及表3可知,理想球面模型与单层球形网壳模型的正压最大误差不大于3.3%。可见,用理想球面代替单层球形网壳进行FLUENT软件求解是可行的。

6 流固耦合分析

网壳的流固耦合分析包括流体与固体分析。结合流体部分的研究情况,可以采用单向流固耦合技术,将已分析的流体求解结果传递到单层球形网壳的固体结构中进行分析。

通过求解计算,理想球面风场与单层球形网壳流固耦合、单层球形网壳自身流固耦合分析的最大组合应力比较见表4。

由表4可知,单层球形网壳模型自身耦合的最大组合应力值略大于理想球面与单层球形网壳模型耦合的值,差值为12.4 MPa,误差小于5%。两种耦合产生误差的原因是理想球面忽略了单层球形网壳各节点之间的连接,用理想节点进行分析。可见,采用理想球面代替单层球形网壳分析风场是可行的。

表4 最大组合应力比较 MPa

7 不同矢径比影响

矢径比是单层球形网壳矢高与其直径的比值[13]。取矢径比为20/40、22/40、24/40、26/40、28/40、30/40、32/40、34/40、36/40九种情况,研究不同矢径比对单层球形网壳风场合力的影响。

不同矢径比下水平合力的变化如图6所示,不同矢径比下竖直提升力变化如图7所示。其中,水平合力是正值,竖直提升力是负值,正值代表风压力,负值代表风吸力。

▲图6 不同矢径比下水平合力变化▲图7 不同矢径比下竖直提升力变化

从分析结果可以看出,随着矢径比增大,单层球形网壳水平合力呈增大趋势,竖直提升力先增大后减小,两者的绝对值大小越来越接近。单层球形网壳水平合力增大,原因是随着单层球形网壳直径及矢径比增大,单层球形网壳受力面积增大,使风经过的受力面积增大。根据分析结果可得,水平合力随着矢径比的增大而增大。因此,单层球形网壳水平方向的地基需要设计得更为牢固。随着矢径比的增大,水平合力与竖直提升力的绝对值越来越接近。