薛 闊

(中國船舶集團有限公司第八研究院,南京 211153)

0 引 言

某設(shè)備采集器安裝在海岸邊,用于持續(xù)采集相關(guān)數(shù)據(jù)。原安裝方式為12 m長桁架伸入海中,桁架采用碳纖維復(fù)合材料,自重依然高達120 kg,實際安裝、維護困難。后期考慮設(shè)備使用要求及工程實際,選擇將采集器通過支架安裝在靠海水泥混凝土防波堤上。該采集器要求在十級臺風(fēng)條件下工作,十級以上天氣拆卸收進庫房。本文重新設(shè)計支架,然后利用ANSYS Workbench流固耦合分析進行校核。流固耦合分析在航空航天、水利建筑、石油、化工、海洋以及生物等眾多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1-4]。

1 流固耦合理論[5]

流固耦合問題是流體力學(xué)與固體力學(xué)交叉形成的一門力學(xué)分支,同時也是多學(xué)科或多物理場研究的一個重要分支,是研究可變形固體在流場作用下的各種行為以及固體變形對流場影響這二者相互作用的一門科學(xué)[6]。

1.1 流體控制方程

流體流動遵循物理守恒定律,對于一般的可壓縮牛頓流體來說,守恒定律通過如下方程描述。

質(zhì)量守恒方程:

(1)

動量守恒方程:

(2)

其中,t為時間;ff為體積力矢量;ρf為流體密度;v為流體速度矢量;τf為剪切力張量,可表示為

τf=(-p+μ?·v)I+2μe

(3)

1.2 固體控制方程

固體部分的守恒方程由牛頓第二定律推導(dǎo)得到:

(4)

能量方程:

?·(v·τ)+v·ρff+SE

(5)

其中,λ為導(dǎo)熱系數(shù);SE為能量源項;htot為流體部分總焓。

固體部分增加了溫差引起的熱變形項:

ft=αt·?T

(6)

其中,αt是與溫度相關(guān)的熱膨脹系數(shù)。

1.3 流固耦合方程

在流固耦合交界面處,流體與固體的應(yīng)力τ、位移d、熱流量q、溫度T等變量相等或守恒,故得到流固耦合方程:

(7)

其中,下標f表示流體;下標s表示固體。

下面建立采集器支架模型,材料為不銹鋼,流體域為25 ℃下空氣,其他參數(shù)為系統(tǒng)默認即可。

2 風(fēng)載荷分析

采集器支架安裝在防波堤上,某些部位有約1.4 m高的金屬護欄,前端安裝的采集器須保持一定的穩(wěn)定性,故對支架剛度有一定要求,綜合考慮安裝、使用、維護等因素后,重新設(shè)計的支架如圖1所示,支架豎桿1.7 m,橫桿1.2 m,采用不銹鋼材料,焊接一體,油漆防護,總重約50 kg,通過膨脹螺絲安裝在水泥地面,以方便拆裝。十級臺風(fēng)為采集器極限工況,故后面在該工況下進行校核。

圖1 支架模型

將支架模型導(dǎo)入ANSYS Workbench CFX,在DM模塊中通過布爾運算得到流體域。支架安裝現(xiàn)場場地空曠,故流體域要足夠?qū)拸V,此處流體域尺寸設(shè)為30 m×30 m×20 m,劃分網(wǎng)格后見圖2。流體域選擇25 ℃理想氣體,湍流模型選擇Shear Stress Transport,地面采用有摩擦的wall壁面條件,頂部采用自由滑移壁面條件。十級臺風(fēng)風(fēng)速約為28.4 m/s,根據(jù)《GB50009-2012建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范》可得風(fēng)壓為490 Pa左右,選擇支架的最大迎風(fēng)面施加風(fēng)速,施加邊界條件后見圖3。

圖2 流體域網(wǎng)格劃分

圖3 流體域施加邊界條件

求解后得到模型的風(fēng)速、風(fēng)壓分布見圖4～10,其中圖5～7為平行風(fēng)速剖面上的風(fēng)速、風(fēng)壓變化,圖8～10為垂直風(fēng)速剖面上的風(fēng)速、風(fēng)壓變化。

圖4 風(fēng)速矢量圖

圖5 平行風(fēng)速剖面風(fēng)速云圖

由圖4、圖5可知:初始風(fēng)速為28.4 m/s,風(fēng)速分布基本符合拋物線分布,地面附近風(fēng)速較慢,離地面越遠風(fēng)速越快。由圖6、圖7可知:在風(fēng)吹支架受阻后風(fēng)速降低的過程中,支架迎風(fēng)面形成高壓氣幕,支架背風(fēng)面形成負壓,與實際工況亦相符。由圖8～10可知:在風(fēng)吹支架受阻后,風(fēng)向改變,部分區(qū)域風(fēng)速加快,造成支架附近風(fēng)壓小于遠處。

圖6 平行風(fēng)速剖面風(fēng)速矢量圖

圖7 平行風(fēng)速剖面風(fēng)壓云圖

圖8 垂直風(fēng)速剖面風(fēng)速云圖

圖9 垂直風(fēng)速剖面風(fēng)速矢量圖

圖10 垂直風(fēng)速剖面風(fēng)壓云圖

3 結(jié)構(gòu)強度分析

將CFX得到的支架風(fēng)壓數(shù)據(jù)導(dǎo)入靜力學(xué)分析模塊,見圖11。支架前端安裝的采集器重約8 kg,底座安裝在水泥地面上,故模型施加約束、載荷后見圖12。求解得到支架的總體變形、應(yīng)力、應(yīng)變云圖,分別見圖13～15。

圖11 支架受風(fēng)壓矢量圖

圖12 支架約束載荷圖

圖13 支架總體變形

由圖13可知:支架最小變形在底座處,最大形變發(fā)生在最前端安裝面位置,該處位移為風(fēng)吹偏移和采集器下壓形變的疊加,最大值為0.75 mm,形變量很小,說明支架剛度很高,可保證儀器平穩(wěn),減少晃動。由圖14、圖15可知:最大應(yīng)力和最大應(yīng)變發(fā)生在豎桿和加強角板的連接處,最大應(yīng)力值為14.47 MPa,遠小于鋼材許用應(yīng)力。最大應(yīng)力點的位置也再次證明了底座加強角板的必要性,與實際經(jīng)驗相符。

圖14 支架應(yīng)力云圖

4 結(jié)束語

本文通過基于ANSYS Workbench的校核得到改進后的支架在十級臺風(fēng)條件下的最大變形為0.75 mm,最大應(yīng)力為14.47 MPa,滿足剛度、強度要求。新安裝方案考慮工程實際,支架縮小了尺寸,降低了重量,易于安裝維護,極端天氣下也方便拆卸入庫,滿足設(shè)計改進要求。