施海健，楊翊仁，龔 慶，范晨光

(西南交通大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院，成都 610031)

由于高速列車車體采用流線形設(shè)計以最大程度地減小空氣阻力，因此在高速列車車體中存在著大量的蒙皮等壁板結(jié)構(gòu)［1］。隨著高速列車的不斷提速，低速運行時被合理忽略的氣動力將成為影響列車高速行駛安全的主要因素［2］?，F(xiàn)階段對于壁板結(jié)構(gòu)的研究主要集中在超音速領(lǐng)域。對于亞音速壁板，尤其是對應(yīng)于高速列車運行馬赫數(shù)為0.3左右的低亞音速壁板，國內(nèi)外的研究還比較少見。Li Peng等［3］從理論上研究了基于微分求積法的彈性板在亞音速流中的穩(wěn)定性。然而，利用模型風(fēng)洞實驗方法對亞音速壁板系統(tǒng)進行研究的工作極為鮮見，僅有少數(shù)試驗驗證了對邊簡支板可在馬赫數(shù)為0.125時發(fā)生顫振［4］。因此，有必要對這一問題進行深入研究。本文采用模型風(fēng)洞試驗的方法對亞音速壁板的氣動彈性特性進行研究，以期拓展亞音速壁板氣動彈性特性的研究方法。

1 亞音速壁板低速顫振模型設(shè)計

1.1 二維亞音速壁板顫振模型

實際列車上使用的壁板結(jié)構(gòu)大多為型材。列車運行的速度為300～400 km/h，而且高速列車壁板不僅受氣動力激勵，還受輪軌激擾作用影響，因而其響應(yīng)會比較明顯。文獻［5－6］研究了外激勵作用下和參數(shù)激勵下系統(tǒng)的響應(yīng)?？紤]到試驗風(fēng)洞的最大風(fēng)速為45 m/s，且除氣動力之外的激勵可以忽略，還要使壁板模型有較明顯的便于觀察、測量的振動。依據(jù)理論計算，設(shè)計了如表1所示的幾種二維懸臂支承壁板模型，探討了不同長寬比對壁板二維特性的影響。二維壁板模型設(shè)計有2個要素必須滿足:一是壁板變形呈現(xiàn)二維特性;二是壁板單側(cè)受流，另一側(cè)流體相對保持靜態(tài)。

對于壁板的二維特性，本文采用大長寬比模型來實現(xiàn)(參見表1)。為了實現(xiàn)壁板模型的單側(cè)受風(fēng)，本文設(shè)計了如圖1所示的導(dǎo)流裝置。該裝置由一個近似封閉的空腔構(gòu)成，其前導(dǎo)流面與前緩沖區(qū)域可以保證流場在受大的擾動后流經(jīng)壁板模型處仍為均勻流場，而后導(dǎo)流面與后緩沖區(qū)可以使壁板模型避開尾流的影響。裝置背面完全密閉。壁板模型的左端用平頭螺釘固定，右端與上、下側(cè)均自由。為避免壁板模型橫向振動受影響，壁板模型與導(dǎo)流面之間留有2 mm間隙，從而模擬二維懸臂薄板情況。整個裝置相對密閉，可以用來模擬壁板模型單側(cè)受均勻氣流作用。

圖1 導(dǎo)流裝置示意圖

表1 壁板模型尺寸與理論計算

1.2 模型支架的設(shè)計及安裝位置

模型支架的設(shè)計要求對流場的擾動盡量小，受來風(fēng)激勵后導(dǎo)流裝置產(chǎn)生的響應(yīng)可以忽略?；谏鲜鲈瓌t，支架借鑒籃球架子的設(shè)計，由60 mm×60 mm×4 mm的箱型鋼焊接而成，在保證導(dǎo)流裝置處于風(fēng)洞口正中間的情況下，盡量使支架遠(yuǎn)離洞口。模型支架三視圖如圖2所示。同時，把支架焊接在長1 200 mm，寬600 mm，厚10 mm的鋼板上，再把鋼板固定在試驗臺上。鑒于整個支架的迎風(fēng)面很小，因而相對于氣流作用而言，其剛度已足夠大，導(dǎo)流裝置幾乎不動。

圖2 模型支架三視圖

2 模型風(fēng)洞試驗方法

本文采用非接觸式動態(tài)數(shù)據(jù)采集方法，利用Polytec激光測振儀采集數(shù)據(jù)，對壁板模型的中點進行響應(yīng)數(shù)據(jù)采集，測振儀及響應(yīng)測點位置如圖3所示。進行風(fēng)洞試驗時，首先調(diào)試設(shè)備，確保激光能打在模型壁板中點處，且有良好的信號反饋。之后，在風(fēng)洞控制臺上選用手動擋調(diào)節(jié)風(fēng)速，慢慢轉(zhuǎn)動旋鈕，同時注意控制臺屏幕上風(fēng)速的變化。在風(fēng)速達到10 m/s之后，速度每增加1 m/s觀察壁板模型的氣動彈性響應(yīng)特性，直到壁板出現(xiàn)等幅振動為止。而后采用DASYLab軟件進行分析。分析系統(tǒng)如圖4所示。對于某一特定風(fēng)速，壁板模型的氣動彈性響應(yīng)特性可以從虛擬系統(tǒng)繪制的頻譜圖中得出，從而判斷壁板模型所處的運動狀態(tài)。

圖3 Polytec激光測振儀及響應(yīng)測點位置

圖4 虛擬測試分析系統(tǒng)

3 試驗結(jié)果與分析

從風(fēng)洞試驗結(jié)果來看，壁板模型的長寬比大于10時的二維特性較好。下面僅就長寬厚分別為450、40、0.4 mm的不銹鋼壁板模型的風(fēng)洞試驗結(jié)果進行討論。由數(shù)值分析得知，顫振臨界速度為18.1 m/s。試驗得到的頻譜圖如圖5、6所示。

圖5 風(fēng)速為19.0 m/s的頻譜圖

圖6 風(fēng)速為21.0 m/s的頻譜圖

從圖5可以看出:當(dāng)風(fēng)速為19.0 m/s時，壁板模型總體處于穩(wěn)定狀態(tài)。圖6顯示，當(dāng)風(fēng)速為21.0 m/s時頻譜圖中出現(xiàn)單峰值。由此可以斷定，在此風(fēng)速下壁板模型發(fā)生了顫振。理論分析得到的顫振臨界速度值與風(fēng)洞試驗得到的臨界顫振速度的相對誤差為13.8%。產(chǎn)生誤差的原因很多，主要有以下3點:①壁板模型與空腔之間存在間隙，壁板振動時會擾動空腔內(nèi)的氣體，從而在壁板下游區(qū)域形成尾流擾動;② 懸臂二維壁板的固支端是由4個平頭螺釘固定的，這種連接方式不能構(gòu)建絕對的固定端，導(dǎo)致支承剛度減弱;③在吹風(fēng)時，由于壁板模型一側(cè)受流，受流面的壓強比不受流面的壓強要小，使得懸臂壁板的平衡位置發(fā)生偏移，進而使壁板模型與來流之間存在一定的攻角。

盡管顫振臨界速度的理論值與試驗實測值存在一定的誤差，但這個誤差是在可接受的范圍之內(nèi)。總體上看，試驗結(jié)果真實可信。

4 結(jié)論

本文對亞音速二維壁板顫振模型進行了合理設(shè)計，采用非接觸式動態(tài)數(shù)據(jù)采集方法，探索了風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)采集技術(shù)，并利用DASYLab專業(yè)軟件進行處理，觀察到了壁板模型的顫振現(xiàn)象，得到如下結(jié)論:

1)壁板模型的長寬比宜在10左右，過長易受外界擾動影響，過短則不能良好體現(xiàn)壁板的二維特性。

2)采用平緩弧面與一定的緩沖區(qū)域可以使流場受到強擾動后恢復(fù)均勻。不可忽略尾流的影響，因而要使用距試驗區(qū)一定距離的弧面來盡可能降低尾流對試驗區(qū)的擾動。

3)壁板模型較薄，因而小擾動即可在自由端產(chǎn)生大的響應(yīng)，故而宜對壁板模型的中部進行非接觸式數(shù)據(jù)采集，以降低誤差。

［1］李鵬，楊翊仁，魯麗.激勵作用下亞音速二維壁板的復(fù)雜響應(yīng)研究［J］.計算力學(xué)學(xué)報，2011，28(6):864－871.

［2］Schetz J A.Aerodynamics of high － speed trains［J］.Annual Review of Fluid Mechanics，2001，33:371 －414.

［3］Li Peng，Yang Yiren.Instability Analysis of Fluid and E-lastic Panel System Based on the Differential Quadrature Method.Mechanic Automation and Control Engineering(MACE)［C］//2011 Second International Conference.2011:2258－2262.

［4］Dugundji J，Dowell E，Perkin B.Subsonic flutter of panels on continuous elastic foundations［J］.AIAA Journal，1963，1(5):1146 －1154.

［5］Wang Lin，Ni Qiao，Huang Yuying.Bifurcations and Chaos in a Forced Cantilever System with Impacts［J］.Journal of Sound and Vibration，2006，296(4/5):1068－1078.

［6］Kenfack A.Bifurcation Structure of Two Coupled Periodically Driven Double-well Duffing Oscillators［J］.Chaos，Solitons and Fractals，2003，15(2):205 －218.