CN114840950B - 一种风洞柔壁喷管柔板系统支撑布局设计方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种风洞柔壁喷管柔板系统支撑布局设计方法，属于风洞试验特种装备设计技术领域。解决了现有技术中的支撑布局设计，需要多轮迭代计算才能寻求到较优的解决方案的不足。本申请将喷管材料参数、柔板厚度参数、柔板系统纵向支撑铰链点的间距和位置参数、压力分布函数等数据集成，通过有限元计算得出柔板系统应力、支反力、变形和斜率误差，设计了柔板横向支撑铰链点间距、位置、结构以及执行机构悬挂点位置，高效完成柔壁喷管柔板系统支撑布局设计计算，实现压力载荷作用下柔壁喷管型面与理论气动型面高精度吻合，从而得到不同试验马赫数的均匀流场。

Description

一种风洞柔壁喷管柔板系统支撑布局设计方法

技术领域

本申请涉及一种风洞柔壁喷管支撑布局设计方法，尤其涉及一种风洞柔壁喷管柔板系统支撑布局设计方法，属于风洞试验特种装备设计技术领域。

背景技术

在风洞中，喷管是保证试验段获得设计马赫数的均匀气流的重要部件。其作用是使气流等熵加速膨胀，在喷管段收缩部分将气流从低亚声速均匀加速到声速后，气流从喷管喉部开始均匀加速膨胀，至喷管出口达到所要求的马赫数。试验段与喷管喉道面积比决定了所要求达到的马赫数，而喷管段型面则影响气流的均匀度。

随着现代空气动力学的高速发展和广泛应用，连续变马赫数喷管具有越来越重要的应用前景。特别是在风洞试验领域，配有连续变马赫数喷管的风洞可以模拟飞行器加速、减速、巡航等状态，与传统单马赫数喷管相比能够大幅提高风洞试验效率，降低试验费用。

二维变马赫数喷管主要有两种形式：滑块式喷管和柔壁喷管。中心滑块式喷管由于中心滑块尾迹的影响，出口流场品质一般不高，单边滑块式喷管虽然流场品质有一定改善，但仅在设计马赫数下流场均匀度较好，非设计马赫数下流场品质仍然较差。柔壁喷管是目前变马赫数喷管的主流形式，越来越多跨超声速风洞采用了柔壁喷管。柔壁喷管具有较宽的马赫数调节范围，并可得到较好的流场品质。

柔壁喷管建设需要解决多项技术问题，包括理论气动型面设计、支撑布局设计、密封等。尤其是支撑布局设计，需要多轮迭代计算才能寻求到较优的解决方案。随着柔壁喷管建设需求的增加，有必要设计一套快速、高效的喷管支撑布局设计流程和方法，以满足风洞建设对周期和质量的要求。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种风洞柔壁喷管柔板系统支撑布局设计方法，以解决现有技术中的支撑布局设计，需要多轮迭代计算才能寻求到较优的解决方案的不足，本申请能够快速高效的设计出柔壁喷管的理论型面以及柔板厚度、铰链支撑点的间距和位置、执行机构悬挂点位置参数，实现压力载荷作用下柔壁喷管型面与理论气动型面高精度吻合，从而得到不同试验马赫数的均匀流场。

本申请的技术方案是这样实现的：

一种风洞柔壁喷管柔板系统支撑布局设计方法，包括：

步骤一，设计柔壁喷管的理论型面曲线，并计算理论型面曲线的一阶导数和二阶导数；

步骤二，选择喷管材料，设计柔板厚度，计算柔板的理论弯曲应力，判断是否小于喷管材料的许用应力，若不满足，则重新设计柔板厚度，若改变柔板厚度仍不满足要求，则重新设计柔壁喷管的理论型面曲线；

步骤三，根据试验工况计算出喷管及其下游试验区域的流场分布情况和压力分布数据，并检查喷管及其下游试验区域流场是否满足指标要求，若不满足，则重新设计柔壁喷管的理论型面曲线；

步骤四，设计柔板系统纵向支撑铰链点的间距和位置，拟合喷管型面压力分布函数，建立柔板系统分析的数字模型、约束和加载模型，计算柔板应力、支反力、变形和斜率误差，判断加载后的柔板应力和斜率误差是否满足期望值，若不满足，则重新设计柔板纵向支撑铰链点的间距和位置，若仍不满足，则重新设计柔板厚度，计算受载变形后的喷管流场，检查气动载荷作用下变形后的喷管流场是否满足指标要求，若不满足，则重新设计柔板纵向支撑铰链点的间距和位置；

步骤五，设计柔板系统横向支撑铰链点的数量、间距、位置和结构，计算柔板截面的横向翘曲，检查加载后柔板横向变形和斜率误差是否满足期望值，若不满足，则重新设计柔板横向支撑铰链点数量、间距、位置和结构，直至满足要求；

步骤六，设计执行机构悬挂点位置；计算执行机构在柔壁喷管型面变化后偏摆的最大角度，检查摆角是否满足使用要求，若不满足，则重新设计执行机构悬挂点位置；计算确定柔板支撑铰链点处允许的定位误差；选择执行机构，根据喷管型面综合变形要求，确定喷管框架允许的变形量，完成柔板系统支撑布局设计。

在上述技术方案中，所述步骤一，具体步骤为：

步骤11，根据特征线理论、设计马赫数以及喷管基本几何参数，在笛卡尔坐标系下，设计柔壁喷管的理论型面曲线（包括喷管型面初步压力分布），使得理论上风洞试验区域获得均匀的流场品质；

步骤12，计算理论型面曲线的一阶导数和二阶导数；

由于柔板的弹性曲线的曲率是连续的，为了使柔板的弹性曲线与喷管理论型面曲线吻合，喷管的理论型面曲线应设计成具有连续曲率的型面，因此理论型面曲线设计应采用具有连续曲率的喷管型面设计方法，设计柔壁喷管的理论型面曲线的方法为Sivells设计法、Evvard-Marcus设计法或Maxwell设计法。

在上述技术方案中，所述步骤二，具体步骤为：

步骤21，选择具有高屈强比且对缺口敏感性低的喷管材料 ，所述喷管材料为2Cr12MoVNbN、11Ni5CrMoV或ASTM A517等；

步骤22，考虑密封设计和加工工艺性，初步设计柔板厚度；

步骤23，根据公式：

、

、

、

计算柔板的理论弯曲应力，判断是否小于喷管材料的许用应力，若不满足，则重新设计柔板厚度，若改变柔板厚度仍不满足要求，则重新设计柔壁喷管的理论型面曲线，直至满足要求；

公式中：

表示弯曲应力，单位为MPa；E表示材料的弹性模量，单位为MPa ；t表示柔板厚度，单位为mm；R表示柔板的弯曲半径，单位为mm；y'表示理论型面曲线点的一阶导数；y"表示理论型面曲线点的二阶导数。

进一步地，所述步骤23中，重新设计柔壁喷管的理论型面曲线，同时更换喷管材料。

在上述技术方案中，所述步骤三，具体步骤为：

步骤31，根据试验工况，采用CFD方法进行喷管流场计算，基于有限体积法求解N-S方程，计算出喷管内部及其下游试验区域的流场分布情况，通过后处理提取出喷管型面的压力分布数据、喷管和下游试验区域的马赫数分布数据；

步骤32，检查喷管及其下游试验区域流场是否满足国家军用标准对流场品质的要求，若不满足，则重新设计柔壁喷管的理论型面曲线，直至满足要求。

在上述技术方案中，所述步骤四，具体步骤为：

步骤41，设计柔板系统纵向支撑铰链点的间距和位置；

步骤42，根据压力分布数据，采用多项式拟合、指数函数拟合方法将喷管型面离散的压力分布数据分段拟合成函数，并计算出拟合函数与压力分布数据的误差，判断拟合函数的适用性，若拟合误差过大，则重新选择拟合方法进行函数拟合，或者重新分段进行函数拟合，直到拟合误差满足期望值为止；

步骤43，采用有限元计算方式建立柔板系统的数字模型、约束和加载模型；

步骤44，采用有限元计算方式计算得出柔板系统应力、支反力、变形和斜率误差，检查加载后的柔板系统应力是否小于喷管材料许用应力，喉道下游喷管型面斜率误差是否不大于0.05°，若不满足，则重新设计柔板纵向支撑铰链点的间距和位置，若仍不满足，则重新设计柔板厚度，直至满足要求；

步骤45，根据加载变形后的喷管型面曲线，建立分析模型，采用CFD方法对喷管流场验算，检查气动载荷作用下变形后的喷管流场是否满足国家军用标准对流场品质的要求，若不满足，则重新设计柔板纵向支撑铰链点的间距和位置，直至满足要求。

在上述技术方案中，所述步骤四的另外一种实现方式：

步骤41，设计柔板系统纵向支撑铰链点的间距和位置；

步骤42，根据压力分布数据，采用多项式拟合、指数函数拟合方法将喷管型面离散的压力分布数据分段拟合成函数，并计算出拟合函数与压力分布数据的误差，判断拟合函数的适用性，若拟合误差过大，则重新选择拟合方法进行函数拟合，或者重新分段进行函数拟合，直到拟合误差满足期望值为止；

步骤43，采用有限元计算方式建立柔板系统的数字模型、约束和加载模型；

步骤44，采用有限元计算方式计算得出柔板系统应力、支反力、变形和斜率误差，检查加载后的柔板系统应力是否小于喷管材料许用应力，喉道下游喷管型面斜率误差是否不大于0.05°，若不满足，则重新设计柔板纵向支撑铰链点的间距和位置，若仍不满足，则重新设计柔板厚度，直至满足要求；

步骤45，根据加载变形后的喷管型面曲线，建立分析模型，采用CFD方法对喷管流场验算，检查气动载荷作用下变形后的喷管流场是否满足国家军用标准对流场品质的要求，若不满足，则重新设计柔板纵向支撑铰链点的间距和位置，并重新设计柔板厚度，直至满足要求。

在上述技术方案中，所述步骤五，具体步骤为：

依据柔板的宽度，设计柔板横向支撑铰链点数量、间距、位置，并且结合柔板厚度设计铰链连接结构；采用有限元计算方法计算柔板截面的横向翘曲，判断加载后横向变形和斜率误差是否满足期望值，若不满足，则通过增大柔板背面布置的横向肋刚度或增加横向支撑铰链点数量，重新设计柔板横向支撑铰链点间距、位置和结构。

在上述技术方案中，所述步骤六，具体步骤为：

步骤61，设计执行机构悬挂点位置；

步骤62，计算执行机构在柔壁喷管型面变化后偏摆的最大角度，检查摆角是否满足使用要求，若不满足，则重新设计执行机构悬挂点位置；

步骤63，根据柔板支撑铰链点定位误差引起的斜率变化，结合步骤44得出的斜率误差结果和喷管型面斜率误差不大于0.05°的要求，计算确定支撑铰链点处允许的定位误差；

步骤64，根据柔板支反力、支撑铰链点允许定位误差、执行结构悬挂点位置、喷管变马赫数速度要求、安装空间因素设计选择执行机构；

步骤65，根据喷管型面综合变形要求，结合柔性系统变形和定位误差情况，确定喷管框架允许的变形量，结束柔板系统支撑布局设计。

进一步地：所述步骤62中使用要求为最大摆角宜不大于10°。

本申请有益效果体现在：

相对于现有技术，本申请能够快速高效的设计出柔壁喷管的理论型面以及柔板厚度、铰链支撑点的间距和位置、执行机构悬挂点位置等参数，实现压力载荷作用下柔壁喷管型面与理论气动型面高精度吻合，从而得到不同试验马赫数的均匀流场。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本申请实施例的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关申请，而非对该申请的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与申请相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考图1并结合实施例来详细说明本申请。

实施例1

本申请实施例1提供了一种风洞柔壁喷管柔板系统支撑布局设计方法（图1中给出了设计方法的流程图），包括：

步骤1，根据特征线理论、设计马赫数以及喷管基本几何参数，在笛卡尔坐标系下，设计柔壁喷管的理论型面曲线；设计柔壁喷管的理论型面曲线的方法为Sivells设计法；

步骤2，计算理论型面曲线的一阶导数和二阶导数；

步骤3，选择具有高屈强比且对缺口敏感性低的喷管材料 ，所述喷管材料为2Cr12MoVNbN；

步骤4，考虑密封设计和加工工艺性，初步设计柔板厚度；

步骤5，根据公式：

、

、

、

计算柔板的理论弯曲应力，判断是否小于喷管材料的许用应力，若不满足，则重新设计柔板厚度，若改变柔板厚度仍不满足要求，则重新设计柔壁喷管的理论型面曲线，直至满足要求；

公式中：

表示弯曲应力，单位为MPa；E表示材料的弹性模量，单位为MPa ；t表示柔板厚度，单位为mm；R表示柔板的弯曲半径，单位为mm；y'表示理论型面曲线点的一阶导数；y"表示理论型面曲线点的二阶导数；

步骤6，根据试验工况，采用CFD方法进行喷管流场计算，基于有限体积法求解N-S方程，计算出喷管内部及其下游试验区域的流场分布情况，通过后处理提取出喷管型面的压力分布数据、喷管和下游试验区域的马赫数分布数据；

步骤7，检查喷管及其下游试验区域流场是否满足国家军用标准对流场品质的要求，若不满足，则重新设计柔壁喷管的理论型面曲线，直至满足要求；

步骤8，设计柔板系统纵向支撑铰链点的间距和位置，使支撑铰链点尽量靠近型面曲线的转折点和极值点，曲率大且压力也大的区域缩小支撑间距，曲率小且压力也小的区域增大支撑间距；

步骤9，根据压力分布数据，采用多项式拟合、指数函数拟合方法将喷管型面离散的压力分布数据分段拟合成函数，并计算出拟合函数与压力分布数据的误差，判断拟合函数的适用性，若拟合误差过大，则重新选择拟合方法进行函数拟合，或者重新分段进行函数拟合，直到拟合误差满足期望值为止；

步骤10，采用有限元计算方式建立柔板系统的数字模型、约束和加载模型；

步骤11，采用有限元计算方式计算得出柔板系统应力、支反力、变形和斜率误差，检查加载后的柔板系统应力是否小于喷管材料许用应力，喉道下游喷管型面斜率误差是否不大于0.05°，若不满足，则重新设计柔板纵向支撑铰链点的间距和位置，若仍不满足，则重新设计柔板厚度，直至满足要求；

步骤12，根据加载变形后的喷管型面曲线，建立分析模型，采用CFD方法对喷管流场验算，检查气动载荷作用下变形后的喷管流场是否满足国家军用标准对流场品质的要求，若不满足，则重新设计柔板纵向支撑铰链点的间距和位置，直至满足要求；

步骤13，依据柔板的宽度，设计柔板横向支撑铰链点数量、间距、位置，并且结合柔板厚度设计铰链连接结构；

步骤14，采用有限元计算方法计算柔板截面的横向翘曲，判断加载后横向变形和斜率误差是否满足期望值，若不满足，则通过增大柔板背面布置的横向肋刚度或增加横向支撑铰链点数量，重新设计柔板横向支撑铰链点间距、位置和结构；

步骤15，设计执行机构悬挂点位置；

步骤16，计算执行机构在柔壁喷管型面变化后偏摆的最大角度，检查摆角是否满足使用要求，若不满足，则重新设计执行机构悬挂点位置；

步骤17，根据柔板支撑铰链点定位误差引起的斜率变化，结合步骤11得出的斜率误差结果和喷管型面斜率误差不大于0.05°的要求，计算确定支撑铰链点处允许的定位误差，

步骤18，根据柔板支反力、支撑铰链点允许定位误差、执行结构悬挂点位置、喷管变马赫数速度要求、安装空间因素设计选择执行机构；

步骤19，根据喷管型面综合变形要求，结合柔性系统变形和定位误差情况，确定喷管框架允许的变形量，结束柔板系统支撑布局设计。

实施例2

本申请实施例2，与实施例1的不同点在于，步骤5中，重新设计柔壁喷管的理论型面曲线的同时更换喷管材料。

实施例3

本申请实施例3，与实施例1或2的不同点在于，步骤12中，重新设计柔板纵向支撑铰链点的间距和位置的同时重新设计柔板厚度。

实施例4

本申请实施例4，与实施例1的不同点在于，步骤1中所述设计柔壁喷管的理论型面曲线的方法为Evvard-Marcus设计法。

实施例5

本申请实施例5，与实施例1的不同点在于，步骤1中所述设计柔壁喷管的理论型面曲线的方法为Maxwell设计法。

实施例6

本申请实施例6，与实施例1的不同点在于，步骤3中选择具有高屈强比且对缺口敏感性低的喷管材料为11Ni5CrMoV。

实施例7

本申请实施例7，与实施例1的不同点在于，步骤3中选择具有高屈强比且对缺口敏感性低的喷管材料为ASTM A517。

以上所述的实施例，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限定本申请的保护范围，凡在本申请的技术方案的基础之上，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种风洞柔壁喷管柔板系统支撑布局设计方法，其特征在于，包括：

步骤一，设计柔壁喷管的理论型面曲线，并计算理论型面曲线的一阶导数和二阶导数；

步骤二，选择喷管材料，设计柔板厚度，计算柔板的理论弯曲应力，判断是否小于喷管材料的许用应力，若不满足，则重新设计柔板厚度，若改变柔板厚度仍不满足要求，则重新设计柔壁喷管的理论型面曲线；

步骤三，根据试验工况计算出喷管及其下游试验区域的流场分布情况和压力分布数据，并检查喷管及其下游试验区域流场是否满足指标要求，若不满足，则重新设计柔壁喷管的理论型面曲线；

步骤四，设计柔板系统纵向支撑铰链点的间距和位置，拟合喷管型面压力分布函数，建立柔板系统分析的数字模型、约束和加载模型，计算柔板应力、支反力、变形和斜率误差，判断加载后的柔板应力和斜率误差是否满足期望值，若不满足，则重新设计柔板纵向支撑铰链点的间距和位置，若仍不满足，则重新设计柔板厚度，计算受载变形后的喷管流场，检查气动载荷作用下变形后的喷管流场是否满足指标要求，若不满足，则重新设计柔板纵向支撑铰链点的间距和位置；

所述步骤四，具体步骤为：

步骤41，设计柔板系统纵向支撑铰链点的间距和位置；

步骤42，根据压力分布数据，采用多项式拟合、指数函数拟合方法将喷管型面离散的压力分布数据分段拟合成函数，并计算出拟合函数与压力分布数据的误差，判断拟合函数的适用性，若拟合误差过大，则重新选择拟合方法进行函数拟合，或者重新分段进行函数拟合，直到拟合误差满足期望值为止；

步骤43，采用有限元计算方式建立柔板系统的数字模型、约束和加载模型；

步骤44，采用有限元计算方式计算得出柔板系统应力、支反力、变形和斜率误差，检查加载后的柔板系统应力是否小于喷管材料许用应力，喉道下游喷管型面斜率误差是否不大于0.05°，若不满足，则重新设计柔板纵向支撑铰链点的间距和位置，若仍不满足，则重新设计柔板厚度，直至满足要求；

步骤45，根据加载变形后的喷管型面曲线，建立分析模型，采用CFD方法对喷管流场验算，检查气动载荷作用下变形后的喷管流场是否满足国家军用标准对流场品质的要求，若不满足，则重新设计柔板纵向支撑铰链点的间距和位置，直至满足要求；

步骤五，设计柔板系统横向支撑铰链点的数量、间距、位置和结构，计算柔板截面的横向翘曲，检查加载后柔板横向变形和斜率误差是否满足期望值，若不满足，则重新设计柔板横向支撑铰链点数量、间距、位置和结构，直至满足要求；

步骤六，设计执行机构悬挂点位置；计算执行机构在柔壁喷管型面变化后偏摆的最大角度，检查摆角是否满足使用要求，若不满足，则重新设计执行机构悬挂点位置；计算确定柔板支撑铰链点处允许的定位误差；选择执行机构，根据喷管型面综合变形要求，确定喷管框架允许的变形量，完成柔板系统支撑布局设计。

2.根据权利要求1所述的一种风洞柔壁喷管柔板系统支撑布局设计方法，其特征在于，所述步骤一，具体步骤为：

步骤11，根据特征线理论，设计马赫数以及喷管几何参数，在笛卡尔坐标系下，设计柔壁喷管的理论型面曲线，使得理论上风洞试验区域获得均匀的流场品质；

步骤12，计算出理论型面曲线的一阶导数和二阶导数；

设计柔壁喷管的理论型面曲线的方法为Sivells设计法、Evvard-Marcus设计法或Maxwell设计法。

3.根据权利要求2所述的一种风洞柔壁喷管柔板系统支撑布局设计方法，其特征在于，所述步骤二，具体步骤为：

步骤21，选择具有高屈强比且对缺口敏感性低的喷管材料；

步骤22，考虑密封设计和加工工艺性，初步设计柔板厚度；

步骤23，根据公式：

计算柔板的理论弯曲应力，判断是否小于喷管材料的许用应力，若不满足，则重新设计柔板厚度，若改变柔板厚度仍不满足要求，则重新设计柔壁喷管的理论型面曲线，直至满足要求；

公式中：σ表示弯曲应力，单位为MPa；E表示材料的弹性模量，单位为MPa；t表示柔板厚度，单位为mm；R表示柔板的弯曲半径，单位为mm；y'表示理论型面曲线点的一阶导数；y"表示理论型面曲线点的二阶导数。

4.根据权利要求3所述的一种风洞柔壁喷管柔板系统支撑布局设计方法，其特征在于，所述步骤23中，重新设计柔壁喷管的理论型面曲线，同时更换喷管材料。

5.根据权利要求4所述的一种风洞柔壁喷管柔板系统支撑布局设计方法，其特征在于，所述步骤三，具体步骤为：

步骤31，根据试验工况，采用CFD方法进行喷管流场计算，基于有限体积法求解N-S方程，计算出喷管内部及其下游试验区域的流场分布情况，通过后处理提取出喷管型面的压力分布数据、喷管和下游试验区域的马赫数分布数据；

步骤32，检查喷管及其下游试验区域流场是否满足国家军用标准对流场品质的要求，若不满足，则重新设计柔壁喷管的理论型面曲线，直至满足要求。

6.根据权利要求5所述的一种风洞柔壁喷管柔板系统支撑布局设计方法，其特征在于，步骤45中，重新设计柔板纵向支撑铰链点的间距和位置，同时重新设计柔板厚度。

7.根据权利要求6所述的一种风洞柔壁喷管柔板系统支撑布局设计方法，其特征在于，所述步骤五，具体步骤为：依据柔板的宽度，设计柔板横向支撑铰链点数量、间距、位置，并且结合柔板厚度设计铰链连接结构；采用有限元计算方法计算柔板截面的横向翘曲，判断加载后横向变形和斜率误差是否满足期望值，若不满足，则通过增大柔板背面布置的横向肋刚度或增加横向支撑铰链点数量，重新设计柔板横向支撑铰链点间距、位置和结构。

8.根据权利要求7所述的一种风洞柔壁喷管柔板系统支撑布局设计方法，其特征在于，所述步骤六，具体步骤为：

步骤61，设计执行机构悬挂点位置；

步骤62，计算执行机构在柔壁喷管型面变化后偏摆的最大角度，检查摆角是否满足使用要求，若不满足，则重新设计执行机构悬挂点位置；

步骤63，根据柔板支撑铰链点定位误差引起的斜率变化，结合步骤44得出的斜率误差结果和喷管型面斜率误差不大于0.05°的要求，计算确定支撑铰链点处允许的定位误差；

步骤64，根据柔板支反力、支撑铰链点允许定位误差、执行结构悬挂点位置、喷管变马赫数速度要求、安装空间因素设计选择执行机构；

步骤65，根据喷管型面综合变形要求，结合柔性系统变形和定位误差情况，确定喷管框架允许的变形量，结束柔板系统支撑布局设计。

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