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        基于ABAQUS CEL的高速水沖擊載荷仿真與試驗研究

        2022-07-07 11:02:32齊賀陽田永衛(wèi)
        計測技術(shù) 2022年3期
        關(guān)鍵詞:水錘端部水管

        齊賀陽,田永衛(wèi)

        (航空工業(yè)北京長城計量測試技術(shù)研究所,北京 100095)

        0 引言

        水陸兩棲飛機在水箱充水過程中[1],當(dāng)水與結(jié)構(gòu)沖擊時,會造成關(guān)鍵部位及其壓力傳感器損壞。由于“水錘”效應(yīng)的影響,使結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生高動態(tài)、高幅值壓力沖擊,超過了壓力傳感器的量程[2],從而導(dǎo)致壓力傳感器受損。因此,在水流沖擊結(jié)構(gòu)時產(chǎn)生的水沖力載荷極值,對飛機載荷測量過程中的傳感器選型、測試參數(shù)配置和結(jié)構(gòu)強度設(shè)計等尤為重要。

        國內(nèi)外諸多學(xué)者針對高速水流沖擊問題進行了深入的研究。Korobkin 等人[3-4]對高速水流沖擊問題開展了研究,水流速度在低馬赫數(shù)范圍內(nèi),將水流表面的變形忽略不計,但這只適用于高速水流在最初極短的時間內(nèi)。Ching-Yu 等人[5]對球帽形水柱在不同速度情況下沖擊有機玻璃結(jié)構(gòu)的整個過程和高速水流沖擊壓力在壁面上的分布情況做了研究。Huang 等人[6]通過研究不同假設(shè)下高速水流沖擊模型,計算沖擊壓力在壁面上的分布特性,得出壁面上受到的最大水流沖擊壓力集中在中心處,不同形狀的射流端部形成的最大壓力不同。Smith[7]通過實驗研究了高速水柱射流端部的壓力分布,得出最大壓力值出現(xiàn)在水柱端部表面的中心處,而非水柱邊緣處。孫龍泉等人[8]運用線性波動方程,研究了可壓縮沖擊流體對于平板前期的壓力特性。孫士麗等人[9]基于線性波動方程研究了高速水流沖擊壁面的壓力空間分布問題。崔雄偉等人[10]搭建了一種新型高速沖擊水流的試驗系統(tǒng),測得的高速水流形成的沖擊壓力滿足理論公式,并探究了腔口位置和腔口深度對于水射流形態(tài)的影響。目前大多數(shù)研究都集中在用不同端部形狀的柱狀體模擬水流沖擊,所得的“水錘”壓力相差較大,且水流沖擊時間受限于水柱的長度。

        本文基于ABAQUS CEL 數(shù)值仿真方法對高速水流沖擊平板進行模擬分析,將經(jīng)驗公式和試驗結(jié)果進行對比,并深入探究了水沖擊壓力的影響因素,驗證了該仿真方法的準(zhǔn)確性,為水沖擊載荷研究提供理論依據(jù)。

        1 理論模型

        1.1 經(jīng)驗公式

        當(dāng)高速水流沖擊表面平滑的結(jié)構(gòu)時,初始壓力與水錘壓力相等[11],表達(dá)式為

        式中:P為壓力,Pa;ρ為流體密度,kg/m3;v為水流的沖擊速度,m/s;c為流體聲速,m/s;α系數(shù)與水流速度和水流端部形狀有關(guān),通常取α=1。

        “水錘”壓力為沖擊面在初始階段壓力的最大值。圓柱形水柱沖擊表面光順的平板結(jié)構(gòu),初始階段產(chǎn)生的高壓在邊界反射波作用下,逐漸地向水流內(nèi)部傳遞。若進行持續(xù)不斷的沖擊,壓力峰值會快速下降,直到流動達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),則沖擊壓力將接近流體動力學(xué)壓力,表示為

        1.2 有限元分?jǐn)?shù)值仿真背景

        采用ABAQUS CEL 數(shù)值仿真方法進行高速水沖擊分析,其屬于ABAQUS 中顯式動力分析模塊,適用于解決爆炸、沖擊等非線性問題。歐拉-拉格朗日耦合分析方法(Coupled Eulerian-Lagrangian analyses,CEL),原理融合了歐拉法和拉格朗日方法的優(yōu)點。其中歐拉法一般用于計算與流體介質(zhì)有關(guān)的問題,適用于大變形問題。而單元是不變形的,材料在單元中流動,歐拉法可以求解涉及流場以及流場的動力學(xué)問題,卻不能求解結(jié)構(gòu)的動力學(xué)響應(yīng)。拉格朗日法一般用于描述固體結(jié)構(gòu),用于小變形問題。材料的邊界與單元的邊界是一致的,所以拉格朗日法計算問題依賴于網(wǎng)格的精度。比較兩種方法的優(yōu)點,CEL方法在解決大變形沖擊、碰撞等問題方面具有明顯優(yōu)勢。

        圖1 CEL基本原理Fig.1 CEL fundamentals

        2 基于調(diào)節(jié)腔內(nèi)氣壓的水沖擊試驗方法

        2.1 試驗原理

        近幾年,科研人員對于水沖擊試驗裝置做了大量的研究[12-13]。本文提出的水沖擊試驗裝置是通過氣瓶向儲水容器中不斷充氣,改變儲水容器的內(nèi)部壓力,以達(dá)到通過調(diào)節(jié)儲水容器內(nèi)的氣體壓力來控制沖擊水流速度的目的。儲水容器內(nèi)充滿一定壓力的氣體,打開噴嘴的閥門,高壓氣體將儲水容器中的水通過水管高速向水管端部外推出,從而形成一段高速沖擊水流,如圖2所示。

        圖2 水沖擊試驗原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of the principle of water impact experiment

        2.2 試驗裝置與方法

        根據(jù)上述高速水流生成原理提出的高速水沖擊試驗裝置如圖3 所示。水沖擊試驗裝置包含平板、超聲流量計、儲水容器、壓力傳感器、高壓氣瓶和采集設(shè)備。在動態(tài)壓力測試中,正常工況下可采用壓力傳感器直接進行測量[14-15]。儲水容器上安裝圓柱形水管及出水閥門,圓柱形水管直徑為10 mm,大于安裝在平板上敏感元件的尺寸,防止傳感器接觸不到初始的沖擊水流。試驗中,水管腔內(nèi)和儲水容器內(nèi)充滿水,避免生成的水流所含空氣過多,形成霧化效應(yīng),影響測量結(jié)果。

        圖3 水沖擊試驗裝置Fig.3 Water impact test device

        水沖擊試驗步驟:1)布置試驗環(huán)境,固定試驗裝置,安裝壓力傳感器和超聲流量計;2)在儲水容器中加入適量的水,擰緊儲水容器上封蓋,打開出水閥門使水管內(nèi)充滿水,然后擰緊閥門;3)打開氣瓶閥門,向儲水容器中充氣,壓力達(dá)到一定時,將高壓氣瓶的閥門關(guān)閉,停止充氣;4)打開數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和超聲流量計,確保各裝置正常工作;5)打開水管上的出水閥門,開始試驗;6)保存試驗數(shù)據(jù),關(guān)閉出水閥門。

        在水流速度為10 m/s,水平間距為230 mm 的工況下,通過上述試驗可得平板中心壓力時間變化曲線,如圖4 所示。由圖4 可知,曲線在初始階段出現(xiàn)壓力峰值,即“水錘”壓力,然后逐漸衰減。且壓力傳感器測得的壓力峰值為1.5 MPa。

        圖4 平板中心沖擊壓力變化曲線Fig.4 Variation curve of impact pressure at the center of plate

        3 數(shù)值計算

        3.1 計算模型

        在本次計算中,為提高計算效率,將高速水流沖擊水箱壁面問題簡化為水流沖擊平板問題,模型由歐拉體、平板、水管構(gòu)成。三種模型的具體尺寸、網(wǎng)格信息和材料屬性如表1所示。

        表1 有限元模型描述Tab.1 Description of finite element model

        水管設(shè)置在距離平板230 mm 處,平板模型設(shè)置在歐拉域中,水管中心與平板中心水平對齊。水管末端表面設(shè)置自由入流邊界,即水流速度入口,流體速度設(shè)置為10 m/s,方向為Z軸正方向,為防止沖擊過程中流體流出歐拉域,在歐拉域的各個表面設(shè)置相應(yīng)的邊界條件,如圖5所示。長方體歐拉域的六個表面中,與X-Y主平面平行的兩個表面上設(shè)置為vZ=0,vX=vY≠0;與X-Z主平面平行的兩個表面上設(shè)置為vY=0,vX=vZ≠0;與YZ主平面平行的兩個表面上設(shè)置為vX=0,vY=vZ≠0。

        圖5 模型邊界條件Fig.5 Model boundary conditions

        平板四邊和水管末端設(shè)置為鉸接邊界條件,即UX=UY=UZ=0,在模型上設(shè)置重力,大小為9.81 m/s2,方向為Y軸負(fù)方向。水流從噴嘴到接觸平板的時間為0.023 s,為捕獲水流沖擊初始水錘壓力,計算時間設(shè)置為0.03 s,時間步增量設(shè)置為自動,在計算過程中會根據(jù)模型計算調(diào)整時間增量大小。在ABAQUS 中建立水流沖擊平板模型,如圖6所示。

        圖6 高速水流沖擊模型Fig.6 High-speed water impact model

        3.2 網(wǎng)格收斂性驗證

        合適的網(wǎng)格數(shù)量可以保證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性,也可以提高計算效率。本次計算模型的網(wǎng)格數(shù)量主要集中在歐拉體模型中,通過改變歐拉體全局網(wǎng)格尺寸來改變模型的網(wǎng)格數(shù)量,研究了網(wǎng)格數(shù)量分別為2.8 萬、9.9 萬、23 萬模型的計算結(jié)果,網(wǎng)格具體信息見表2。

        表2 有限元模型描述Tab.2 Description of finite element model

        由表2可以看出,以細(xì)網(wǎng)格模型的計算結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn),粗網(wǎng)格和中網(wǎng)格的計算結(jié)果偏差分別為9.29%和0.19%,網(wǎng)格加密程度對結(jié)果影響較大。因此,本文采用網(wǎng)格數(shù)量為9.9萬的模型進行數(shù)值計算方可滿足精度要求。

        3.3 數(shù)值驗證

        圖7為某一時刻水流沖擊平板的應(yīng)力云圖,可知壓力值最大發(fā)生在平板中心處,為探究“水錘”壓力峰值的變化特性,監(jiān)測平板中心處單元的沖擊壓力變化曲線。

        圖7 平板壓力云圖Fig.7 Flat plate pressure nephogram

        圖8 為水平間距為230 mm 時的平板中心處沖擊壓力隨時間變化曲線,沖擊壓力采集時間間隔為0.00005 s。由圖8 可知在水流沖擊初始階段,產(chǎn)生了大于其他時間處的壓力峰值,沖擊壓力峰值大小為1.58 MPa,接近于在相同工況下試驗測得的1.5 MPa,驗證了仿真計算模型的準(zhǔn)確性。但是仿真計算結(jié)果和試驗結(jié)果與“水錘”壓力經(jīng)驗公式計算的7.5 MPa相差較大,這是由于水管端部與平板水平間距的差異性造成的。

        圖8 水平間距為230 mm時沖擊壓力變化曲線Fig.8 Impact pressure variation curve when the horizontal spacing is 230 mm

        3.4 沖擊壓力影響因素特性研究

        3.4.1水管端部與平板間距

        為進一步探究水管端部與平板的水平間距對于“水錘”壓力峰值的影響,分別計算了水平間距為100,50,10 mm 時,在平板中心處受到的“水錘”壓力大小變化,計算時間設(shè)置略大于水流到達(dá)平板的時間,如圖9所示。

        圖9 不同水平間距下,沖擊壓力變化曲線Fig.9 Impact pressure variation curve under different horizontal spacing

        由圖9可知,隨著水管端部與平板之間的距離減小,平板中心受到的水錘壓力越來越大,當(dāng)間距為10 mm時,與“水錘”壓力經(jīng)驗公式計算結(jié)果相差不大。由于水流受到空氣阻力的作用速度逐漸衰減,水流接觸到平板時的速度小于在水管出口處的速度,使得沖擊壓力減小。

        為獲得水流沖擊整個過程的沖擊壓力從產(chǎn)生“水錘”壓力峰值到衰減至平穩(wěn)狀態(tài)的變化過程,選取水平間距為10 mm,水流速度為10 m/s 時的沖擊壓力計算工況。水流從水管端部到達(dá)平板時間為0.001 s,計算時間設(shè)置為0.055 s,計算時間設(shè)置大于“水錘”壓力產(chǎn)生時間的50 倍以上,足夠捕捉到水流沖擊壓力達(dá)到穩(wěn)定的變化,計算結(jié)果如圖10 所示,水錘壓力出現(xiàn)之后沖擊壓力逐漸衰減,直到水流在0.035 s 后趨于平穩(wěn),壓力值穩(wěn)定在0.05 MPa 左右,與流體動力學(xué)壓力計算公式計算所得的0.05 MPa 基本符合,數(shù)值仿真與經(jīng)驗公式的計算結(jié)果之間的差距較小,驗證了數(shù)值仿真方法的可行性。

        圖10 平板中心點處單元的沖擊壓力隨時間變化Fig.10 Variation of impact pressure at the center point of the plate with time

        3.4.2水流速度

        為進一步了解水流速度對于沖擊壓力的影響,分別計算水流速度從10~100 m/s 時的沖擊壓力,水流速度增量為10 m/s,研究沖擊壓力的變化,并將結(jié)果與經(jīng)驗公式計算的結(jié)果進行對比。

        圖11 為平板中心處水錘壓力峰值隨速度變化曲線,可以看出,通過數(shù)值仿真計算的水錘壓力峰值與經(jīng)驗公式計算的結(jié)果十分接近,基本呈現(xiàn)正比例關(guān)系。在速度較低時,仿真計算結(jié)果呈現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài),由于ABAQUS CEL 算法中的接觸設(shè)置限制,但是仿真計算與經(jīng)驗公式計算結(jié)果相差不大,仿真計算具有一定的準(zhǔn)確性。

        圖11 沖擊初始階段水錘壓力峰值隨速度變化曲線Fig.11 Variation curve of peak water hammer pressure with speed at the initial stage of impact

        水流經(jīng)過初始時刻的“水錘”壓力后,沖擊壓力逐漸衰減,直到穩(wěn)定接近于流體動力學(xué)壓力。圖12 為在水流穩(wěn)定狀態(tài)下平板中心處沖擊壓力隨速度的變化曲線,可以看出數(shù)值模擬與經(jīng)驗公式的計算結(jié)果十分接近,都呈現(xiàn)二次曲線趨勢。

        圖12 平穩(wěn)狀態(tài)下沖擊壓力隨速度變化曲線Fig.12 Variation curve of impact pressure with speed in steady state

        綜上可知,水流沖擊壓力受水流速度的影響極大,水流速度越大,初始階段的“水錘”壓力和穩(wěn)定狀態(tài)下的沖擊壓力越大。

        4 結(jié)論

        文章提出了基于ABAQUS CEL 方法計算水流沖擊壓力,將水流沖擊水箱壁面簡化為水流與平板之間的沖擊。通過開展水流沖擊平板仿真計算,計算所得的“水錘”壓力峰值與試驗測得結(jié)果相差不大,驗證了數(shù)值仿真計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

        相同速度下,試驗測得的“水錘”壓力和數(shù)值模擬結(jié)果與理論公式計算結(jié)果相差較大。是由水管端部與平板的間距造成的,且間距越大,水流在空氣中受到空氣阻力衰減地越快。隨后通過數(shù)值模擬方法計算了三種不同水平間距的工況,驗證了水管端部與平板之間水平間距對于水流沖擊壓力的影響。即水平間距越大,平板受到的沖擊壓力越小。

        為了探究水流速度對于沖擊壓力的影響,計算了從10~100 m/s 的水錘壓力峰值變化和水流平穩(wěn)狀態(tài)下的沖擊壓力,由計算結(jié)果可知水流速度的大小對于沖擊壓力的影響極大,水流速度越大,水流對于平板的沖擊壓力越大。文章僅對水平間距和水流速度對沖擊壓力影響進行了研究,水陸兩棲飛機汲水過程十分復(fù)雜,故將水流沖擊進行簡化,后續(xù)研究應(yīng)考慮更加復(fù)雜的工況和模型,例如不同角度的水流對沖擊壓力的影響研究、水箱儲水的動態(tài)特性研究等。

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