CN211262653U - 一种新型炮风洞活塞结构 - Google Patents

Abstract

一种新型炮风洞活塞结构，包括承力弧形主体、裙部、裙部贯通加强筋，承力弧形主体采用变厚度圆弧形壳体，裙部采用花瓣式设计，活塞的主承压部壳体和裙部通过贯通加强筋连接，针对现有技术中，活塞活塞塑性形变主要位于撞击部外侧和裙部根部，容易发生主承压部开裂和裙部大变形的问题，提出了新的活塞结构，新型活塞使得其Mises应力水平显著降低，有效提高了结构的抗变形能力和使用寿命。

Description

一种新型炮风洞活塞结构

技术领域

本实用新型涉及一种新型炮风洞活塞结构，属于空气动力学试验领域。

背景技术

炮风洞是利用活塞在被驱动段高速运动时产生的强入射激波，对活塞下游的试验气体进行压缩，进而制造更高总温和总压流动的一种风洞。

炮风洞具有结构简单、成本低廉的优点。活塞作为炮风洞产生驱动激波的关键部件，其重量根据平衡活塞理论计算得到，合适的活塞在运行过程中既不发生较大振幅的振荡，又能快速停止。活塞的匹配程度直接影响了炮风洞的流场品质和流动时间。

当被驱动段内径较大时，活塞的壁厚较薄，在撞击被驱动段末端时容易被破坏，无法得到高品质的流场，甚至对试验模型造成破坏。因此，提高活塞的寿命可以有效降低炮风洞试验的运行成本并保证试验质量。

现有活塞的塑性形变主要位于撞击部外侧和裙部根部，容易发生主承压部开裂和裙部大变形等失效模式。基于此，采用拓扑优化方法，设计出了新型的新型炮风洞活塞：采用变厚度圆弧形主承压部和花瓣式的裙部，并通过贯通加强筋将二者相连。

实用新型内容

本实用新型解决的技术问题是：针对目前现有技术中，活塞的常见失效模式，即主承压部开裂和裙部大变形的问题，提出了一种新型炮风洞活塞结构。

本实用新型解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：

一种新型炮风洞活塞结构，包括承力弧形主体、裙部、裙部贯通加强筋，用于风洞承压的承力弧形主体为半球壳体，承力弧形主体凸面一侧设置有加强承力能力的裙部，所述裙部均沿承力弧形主体凸面边缘等距设置，所有裙部上均设置有用于固定连接裙部与承力弧形主体的裙部贯通加强筋，所述裙部贯通加强筋两端分别与承力弧形主体凸面及裙部相连。

所述承力弧形主体、裙部、裙部贯通加强筋材料均选用铝合金2A12。

所述承力弧形主体选用变厚度的圆弧形壳体，凹面圆弧面与凸面圆弧面的半径不同，半径范围分别为；120～130mm,130～140mm。

所述承力弧形主体的型面圆心与承力弧形主体、裙部、裙部贯通加强筋组成的活塞结构的中心重合。

裙部均沿承力弧形主体凸面边缘设置的间距范围均为30°。

所述裙部上设置的裙部贯通加强筋的根数范围为18～24根。

所述裙部贯通加强筋包括中央贯通筋条及侧方筋条，其中，中央贯通筋条长度为90～100mm，侧方筋条长度为60～70mm，所述中央贯通筋条宽度大于侧方筋条宽度。

所述承力弧形主体、裙部、裙部贯通加强筋组成的活塞结构总重量范围为1kg～4kg。

所述承力弧形主体的弧面高度为95～105mm，承力弧形主体凸面的圆弧半径为145～155mm，承力弧形主体凹面的圆弧半径为135～145mm。

所述凸面圆弧顶部厚度为4～6mm，边沿厚度为6～9mm，弧面侧壁厚度为8～12mm，裙部厚度为4～6mm。

本实用新型与现有技术相比的优点在于：

本实用新型提供的一种新型炮风洞活塞结构，通过优化设计使用了变厚度圆弧形主承压部和花瓣式的裙部相结合的方案，通过贯通加强筋将二者相连，对裙部设置了沿圆弧周向边缘均匀分布的花瓣形设计，同时设计了对应圆弧角，通过变壁厚的设计，使活塞结构在驱动段末端被撞击时不容易被破坏，可以得到高品质的流场，不会对试验模型造成破坏，保证了炮风洞试验的稳定性，同时结构稳定，成本低，可操作性更高。

附图说明

图1为实用新型提供的炮风洞活塞结构示意图；

图2为实用新型提供的承力弧形主体及裙部剖面图；

图3为实用新型提供的裙部及贯通加强筋示意图；

图4为实用新型提供的活塞结构正反两面应力云图、位移云图、应变云图；

具体实施方式

一种新型炮风洞活塞结构，如图1所示，主要包括承力弧形主体1、裙部2、裙部贯通加强筋3，用于风洞承压的承力弧形主体1凸面一侧设置有加强承力能力的裙部2，所述裙部2均沿承力弧形主体1凸面边缘等距设置，所有裙部2上均设置有裙部贯通加强筋3，进一步加强裙部2的承力能力，活塞承力弧形主体1作为主承压部，采用变厚度圆弧形壳体，裙部2采用花瓣式设计，活塞的主承压部壳体和裙部2通过贯通加强筋连接，裙部贯通加强筋3两端分别与承力弧形主体1凸面及裙部2相连，其中：

活塞作为炮风洞产生入射激波的关键部件，直接影响了炮风洞的流场品质和流动时间。活塞的重量根据平衡活塞技术计算得到；当被驱动段内径较大时，活塞的壁厚较薄，在撞击被驱动段末端时容易被破坏，无法得到高品质的流场，甚至对试验模型造成破坏。因此，提高活塞的寿命可以有效降低炮风洞试验的运行成本。现有的活塞塑性形变主要位于撞击部外侧和裙部2根部，容易发生主承压部开裂和裙部2大变形。基于数值计算，分别对活塞的主承压部和裙部2进行拓扑优化设计得到了新型的活塞结构：采用变厚度圆弧形壳体的主承压部和花瓣状的裙部2，并通过贯通加强筋连接两部分。根据数值计算结果，本专利所涉及的新型活塞使得其Mises应力水平显著降低，有效提高了结构的抗变形能力和使用寿命。

所述承力弧形主体1选用变厚度的圆弧形壳体，凹面圆弧面与凸面圆弧面的半径不同，半径范围分别为；120～130mm,130～140mm；

所述承力弧形主体1的型面圆心与承力弧形主体1、裙部2、裙部贯通加强筋3组成的活塞结构的中心重合；

裙部2均沿承力弧形主体1凸面边缘设置的间距范围均为30°；

所述裙部2上设置的裙部贯通加强筋3的根数范围为18～24，包括较宽的中央贯通筋条及两根较窄的侧方筋条，长度为90～100mm，长度为60～70mm，中央贯通筋条宽度大于侧方筋条宽度；

所述承力弧形主体1、裙部2、裙部贯通加强筋3组成的活塞结构总重量范围为1～4kg；

承力弧形主体1的弧面高度为95～105mm，承力弧形主体1凸面的圆弧半径为145～155mm，承力弧形主体1凹面的圆弧半径为135～145mm，凸面顶部厚度为4～6mm，边沿厚度为6～9mm，弧面侧壁厚度为8～12mm，裙部2厚度为4～6mm；

其中，裙部2共设计六个沿圆弧均匀分布的花瓣状结构，每个花瓣对应的圆弧角为30°。

下面结合具体实施例进行进一步说明：

选取总重量为2kg的活塞结构，实际试验中需要配备多质量规格的活塞以对应不同工况，以下通过比较常用的2.0kg级活塞进一步说明本实用新型涉及的新型炮风洞活塞结构的设计细节。

设计变壁厚的圆弧形主承压部和裙部2，并通过贯通加强筋将二者相连，根据2.0kg级活塞尺寸和重量约束条件，活塞主承压部壳体半剖面图设计如图2所示。其中，活塞主承压部，即承力弧形主体1的弧面高度为100.81mm，承力弧形主体1凸面的圆弧半径为150.026mm，承力弧形主体1凹面的圆弧半径为140.016mm，其两圆弧圆心位于活塞中心对称轴上。凸面顶部厚度为度为5.24mm，视为根部的边沿厚度为7.98mm，弧面侧壁厚度为9mm，裙部2厚度为。考虑到结构可加工性，裙部2与承压部根部连接处采用圆弧过渡设计，裙部2结构的基准厚度为4mm。

如图3所示，给出了2.0kg级活塞裙部2花瓣和主承压部之间贯通筋条的设计细节。其中，裙部2共设计六个沿圆弧均匀分布的花瓣状结构，每个花瓣对应的圆弧角为30°。每个花瓣中间筋根部宽度约为5.5mm，两侧筋根部宽度约为3.8mm。

2.0kg级活塞主承压部所受静载压强为12MPa。图4(a-b)给出了2.0kg级活塞结构正反面Mises应力分布图，其最大应力峰值为177.7MPa，主要位于主承压部与径向短筋相连处。如图，主承压部顶部并未出现应力集中，平均应力水平较低。结构整体安全系数为2.251，满足安全系数不低于2的设计要求。如图4所示，图4(a)，图4(b)分别给出了活塞正反面的Mises应力云图，图4(c)给出了活塞结构位移云图，其最大位移为0.242mm，位移主要发生以主承压部顶部为中心的周向环带区域。图4(d)为活塞最大主应变云图，其最大主应变约为0.0015，位于主承压部中间环带区域。

可见，基于2.0kg级活塞应力应变分析结果可知，当前活塞主承压部顶部应力水平和变形相对较低，筋条强化作用显著，有利于抑制原有活塞顶端开裂等失效模式发生。

本实用新型说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种新型炮风洞活塞结构，其特征在于：包括承力弧形主体、裙部、裙部贯通加强筋，用于风洞承压的承力弧形主体为半球壳体，承力弧形主体凸面一侧设置有加强承力能力的裙部，所述裙部均沿承力弧形主体凸面边缘等距设置，所有裙部上均设置有用于固定连接裙部与承力弧形主体的裙部贯通加强筋，所述裙部贯通加强筋两端分别与承力弧形主体凸面及裙部相连。

2.根据权利要求1所述的一种新型炮风洞活塞结构，其特征在于：所述承力弧形主体、裙部、裙部贯通加强筋材料均选用铝合金2A12。

3.根据权利要求2所述的一种新型炮风洞活塞结构，其特征在于：所述承力弧形主体选用变厚度的圆弧形壳体，凹面圆弧面与凸面圆弧面的半径不同，半径范围分别为；120～130mm,130～140mm。

4.根据权利要求2所述的一种新型炮风洞活塞结构，其特征在于：所述承力弧形主体的型面圆心与承力弧形主体、裙部、裙部贯通加强筋组成的活塞结构的中心重合。

5.根据权利要求2所述的一种新型炮风洞活塞结构，其特征在于：裙部均沿承力弧形主体凸面边缘设置的间距范围均为30°。

6.根据权利要求2所述的一种新型炮风洞活塞结构，其特征在于：所述裙部上设置的裙部贯通加强筋的根数范围为18～24根。

7.根据权利要求2所述的一种新型炮风洞活塞结构，其特征在于：所述裙部贯通加强筋包括中央贯通筋条及侧方筋条，其中，中央贯通筋条长度为90～100mm，侧方筋条长度为60～70mm，所述中央贯通筋条宽度大于侧方筋条宽度。

8.根据权利要求7所述的一种新型炮风洞活塞结构，其特征在于：所述承力弧形主体、裙部、裙部贯通加强筋组成的活塞结构总重量范围为1kg～4kg。

9.根据权利要求2所述的一种新型炮风洞活塞结构，其特征在于：所述承力弧形主体的弧面高度为95～105mm，承力弧形主体凸面的圆弧半径为145～155mm，承力弧形主体凹面的圆弧半径为135～145mm。

10.根据权利要求3所述的一种新型炮风洞活塞结构，其特征在于：所述凸面圆弧面的顶部厚度为4～6mm，边沿厚度为6～9mm，弧面侧壁厚度为8～12mm，裙部厚度为4～6mm。

Images