基于某型號風洞駐室設計及安裝要求

夏青勇

摘 要：本文主要是介紹風洞駐室設計及分析和駐室安裝，用應力有限元分析軟件Abaqus對整個風洞的駐室結構進行了應力分析，然后就應力分析結果進行了設計選型。對重點部位進行安裝介紹和提出安裝精度要求，對風洞制造提供可靠的參考依據。

關鍵詞：駐室；承力墻；Abaqus；應力分析；駐室大門

駐室是風洞中進行試驗的主要部分，由駐室殼體、承力墻、固定及導向支座、電動大門、轉接段軌道、充氣密封系統、電動大門及定位鎖緊結構等構成。其中駐室殼體前端通過法蘭與穩定段相接，后端與亞聲速擴散段焊接，駐室殼體內部設有軌道，供試驗段在軌道上行走，并通過駐室內部定位鎖緊裝置將各段固定在相應位置。

一、駐室結構設計介紹

駐室殼體屬于壓力容器，因此駐室殼體的設計、制造和檢驗應嚴格按照壓力容器相關標準進行設計。

某型號風洞駐室為一個變截面圓筒狀結構，其前端面與穩定段等直部分外側通過法蘭連接，截面直徑為9600mm，主要工作部段截面尺寸為12000mm。其中在駐室側面為了方便試驗段進出，開設有尺寸為12800（長）X7400（高）大開孔；駐室內部壓力范圍為：0.07～4atm，工作溫度為15°～60°。

（一）駐室殼體材料

駐室以收縮段入口為起點，以直徑12000mm作為駐室內型面尺寸，根據環境溫度，選取壁板材料為16MnNR，軌道采用45SiMnP。根據GB/T150計算得到未開門壁板厚度為30mm，筋板采用T型環筋形式，筋板總高1500mm，厚度為30mm，通過有限元計算，得到整體應力為最大值小于60Mpa ，最大變形位于電動大門處，小于5mm，滿足工作需要。

（二）駐室大門和小門

駐室門由框架及相應鋼板組成，其中鋼板與駐室殼體相接處部分通過充氣密封系統實現密封。整個鋼板厚度為40mm，在與駐室殼體密封處，將寬230mm，厚度為30mm鋼板用螺釘緊固在鋼板上，這樣可以減少整個鋼板機械加工面。電動門下面安裝有4個導向輪，其中兩個為主動輪，另外兩個為從動輪。主動輪通過電機來驅動，小門下面采用并行雙軌道行走，軌道選用P15輕軌。

駐室小門在工作狀態下承受最大壓力為0.4Mpa，通過定位銷將電動小門與駐室殼定位鎖緊。通過有限元軟件abaqus對駐室大門進行受力分析，得到駐室小門應力最大值小于100Mpa，，最大變形量處于大門中心部位，小于1mm，滿足工作要求。

（三）駐室受力分析

1、CAE計算方法選用

CAE計算選用許用應力法。

2、CAE計算標準選用

《壓力容器》GB150-2011；

《壓力容器分析設計》JB4732-1995。

3、分析依據

風洞承壓殼體設計要求及方案圖。

4、模型處理

模型計算采用大型商用有限元軟件Abaqus。本次計算中，單位系統采用mm-t-s系統。模型共劃分837663個節點和834230個單元，所采用單元：殼單元quad4、三維實體單元主要為Hex8、一維RBE2。坐標系采用笛卡爾坐標系，Y軸為豎向，方向向上為正；X軸為軸向，方向向右為正；Z軸與X軸構成水平面，方向指向正對面為正。

（1）結構材料及許用應力

風洞所用材料為Q345R。材料彈性模量E取201000MPa，泊松比μ取0.3。

（2）模型分析：

風洞承受荷載類型：重力載荷、氣動荷載（如下表2）。

計算工況：重力載荷+Ma0.15

分析結果如下：

駐室最大受力為183MPa，如下圖2駐室受力云圖，主要發生在駐室大門、大門底部支座支撐及門框與洞體連接處，參考Q345R材料的許用應力，最大183MPa<185MPa，滿足強度要求，其他部段也都符合強度要求。

二、駐室安裝介紹

駐室是整個風洞的核心部分，駐室安裝也是整個風的風洞的基礎，駐室的前后承力墻是整個風洞的基準，駐室的安裝首先確保前后承力墻安裝精度到位，符合圖紙要求。駐室承力墻與支座和殼體焊接對承力墻的精度影響很大。

（一）承力墻安裝

承力墻分為前、后承力墻，前承力墻底部是固定支座，后承力墻是滑動支座。前承力墻需要先安裝，用激光跟蹤儀定位前承力墻的標高和風洞洞體的軸線，并用前承力墻的前后機加工面作為風洞安裝的基準面，安裝后的承力墻垂直度≤1mm，平面度≤1mm，偏轉角度<0.1°。

（二）駐室殼體安裝

駐室殼體總長59m，包括收縮段殼體和錐段的殼體，安裝過程中把殼體分為10部分安裝組對焊接，每段殼體的制造橢圓度不大于25mm，直線度允差不大于殼體長度的0.1%。在前后承力墻都安裝調整好后，進行收縮段殼體的組對安裝，并與駐室前承力墻殼體焊接，焊接前需要考慮殼體環焊縫焊接的收縮余量，提前預留，防止收縮太多，根據殼體直徑和殼體焊接厚度及現場焊接施工經驗，標高往上調2mm-3mm，對筒體的標高的影響最小。

（三）駐室大門安裝

駐室大門安裝是洞體安裝的第一大難點，也是整個風洞安裝的一個大的節點，駐室的大門完成才標志著洞體的封閉。駐室大門長16m，寬9m，厚1.2m，重達220噸，這是鋼制風洞中最大和最重的大門，沒有可參考的吊裝經驗。現場安裝的空間有限，經過計算需要一臺500噸履帶吊和現場已有的300噸龍門吊車配合吊裝，才能有較高的安全系數把駐室大門吊裝到位。經討論，用180噸履帶吊車與300噸龍門吊車配合吊裝，在考慮了所有能產生不安全的因素后并做好了防護工作，成功的把駐室大門吊裝到位。

參考文獻：

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