高溫燃氣流超聲速熱結構風洞擴壓器強度及穩定性校核分析

嚴山　林正東　王毅　熊杰

【摘 要】擴壓器是高溫燃氣流速超聲速熱結構風洞試驗裝備的重要組成部件，本文根據航空風洞試驗結構件強度標準要求的有關規定，基于ANSYS參數化設計語言，模擬仿真了擴壓器三大組成部件收縮段、等直段、擴張段同時在真空、大氣壓和內腔水壓三種載荷環境下的承載情況，按工作狀態和試驗狀態兩種工況進行了力學分析，獲得了擴壓器三大組成部件的變形、應力等性能參數，計算結果表明擴壓器的結構滿足強度、剛度要求，安全使用系數ns>3，整體性能較好，為后續的結構優化提供了依據。

【關鍵詞】擴壓器；夾層水冷；有限元法；強度穩定性分析

0 引言

高溫燃氣流超聲速熱結構風洞主要包括主加熱器、試驗段、擴壓器等組成，其工作原理為主加熱器通過燃燒產生超聲速燃氣，在試驗段內形成低壓試驗環境對模型進行測試，測試結束后的燃氣經過擴壓器減速增壓排入大氣。航空風洞試驗結構件強度標準中規定了專用設備的使用技術條件和試驗方法。對于擴壓器的強度校核一般采用兩端封堵抽真空，內腔充水至水壓達到1MPa，靜置觀察內外型腔不應出現影響正常使用的永久變形。為了節約試驗成本，提高設計的可靠性，采用有限元方法對擴壓器進行靜態模擬分析可以在設計階段給后續的結構優化提供依據。

1 擴壓器結構特點

擴壓器安裝在試驗段中，由收縮段、等直段、擴張段三部分組成，前端連接試驗段波紋管、后端連接冷卻器。前端收縮段、可更換段全部位于試驗段內，第一級等直段部分位于試驗段內（如圖1所示），后端與冷卻器法蘭對接。擴壓器各部段為錐形或圓柱形夾層水冷結構，內外壁之間為縱向水道（如圖2所示）。

2 材料屬性定義

在進行有限元分析前首先要定義實體模型的實常數和材料屬性。擴壓器全部段均采用1Cr18Ni9Ti不銹鋼中厚板焊接，壓力容器用1Cr18Ni9Ti不銹鋼厚板材料性能如表1所示：

3 擴壓器邊界條件

擴壓器收縮段、可更換段均位于試驗段內，風洞工作時試驗段基本為真空環境，收縮段內外筒壁均是承受真空負壓。工作時夾層環形水道冷卻水壓力為1MPa。等直段及擴張段1、擴張段2均位于試驗段外，工作時只有內筒壁承受真空負壓，外筒壁位于大氣環境中，夾層環形水道冷卻水壓力為1MPa。擴壓器各部段水壓強度試驗壓力按壓力容器標準取1.25倍設計壓力（即1.25MPa內壓）。擴壓器各部段徑向受支撐系統約束，沿軸向可以自由滑動。

4 三大部段有限元分析

4.1 收縮段

通過分析得知，工作狀態下收縮段的最大應力在直段水道隔片開口附近，最大變形在水道隔片開口處的內筒上；試驗狀態下收縮段的最大應力在直段水道隔片開口處附近的外筒上，最大變形在在直段水道隔片開口處附近的內筒上。安全系數>3，滿足使用要求。

4.2 等直段

通過分析得知，工作狀態下等直段的最大應力在水道筋開口附近，最大變形在內筒壁水道加強筋開口附近；試驗狀態下等直段的最大應力在水道筋開口附近，最大變形在在內筒壁水道筋開口附近。安全系數>3，滿足使用要求。

4.3 擴張段

通過分析得知，工作狀態下擴張段的最大應力在靠錐面大端附近水道隔片開口附近，最大變形在靠錐面大端附近水道隔片開口附近的內筒壁；試驗狀態下擴張段的最大應力在靠錐面大端附近水道隔片開口附近，最大變形在靠錐面大端附近水道隔片開口附近。安全系數>3，滿足使用要求。

5 結束語

本文利用ANSYS有限元分析軟件對高溫燃氣流超聲速熱結構風洞擴壓器在工作狀態和試驗狀態兩種工況下進行了結構強度及穩定性校核分析，由計算結果可知，擴壓器各部段計算安全系數>3，，因此，綜合考慮溫度因素的影響，擴壓器各部段結構滿足強度及穩定性要求。

【參考文獻】

[1]張洪信.有限元基礎理論及ANSYS應用[M].北京：機械工業出版社，2006.

[2]張鈺.結構熱試驗技術[M].北京：宇航出版社，1993.

[3]聞邦椿.機械設計手冊[M].北京：北京工業出版社，2010.

[責任編輯：朱麗娜]