基于ANSYS Workbench的某采集器支架风载荷-结构强度分析

薛 阔

(中国船舶集团有限公司第八研究院,南京 211153)

0 引 言

某设备采集器安装在海岸边,用于持续采集相关数据。原安装方式为12 m长桁架伸入海中,桁架采用碳纤维复合材料,自重依然高达120 kg,实际安装、维护困难。后期考虑设备使用要求及工程实际,选择将采集器通过支架安装在靠海水泥混凝土防波堤上。该采集器要求在十级台风条件下工作,十级以上天气拆卸收进库房。本文重新设计支架,然后利用ANSYS Workbench流固耦合分析进行校核。流固耦合分析在航空航天、水利建筑、石油、化工、海洋以及生物等众多领域应用广泛[1-4]。

1 流固耦合理论[5]

流固耦合问题是流体力学与固体力学交叉形成的一门力学分支,同时也是多学科或多物理场研究的一个重要分支,是研究可变形固体在流场作用下的各种行为以及固体变形对流场影响这二者相互作用的一门科学[6]。

1.1 流体控制方程

流体流动遵循物理守恒定律,对于一般的可压缩牛顿流体来说,守恒定律通过如下方程描述。

质量守恒方程:

(1)

动量守恒方程:

(2)

其中,t为时间;ff为体积力矢量;ρf为流体密度;v为流体速度矢量;τf为剪切力张量,可表示为

τf=(-p+μ∇·v)I+2μe

(3)

1.2 固体控制方程

固体部分的守恒方程由牛顿第二定律推导得到:

(4)

能量方程:

∇·(v·τ)+v·ρff+SE

(5)

其中,λ为导热系数;SE为能量源项;htot为流体部分总焓。

固体部分增加了温差引起的热变形项:

ft=αt·∇T

(6)

其中,αt是与温度相关的热膨胀系数。

1.3 流固耦合方程

在流固耦合交界面处,流体与固体的应力τ、位移d、热流量q、温度T等变量相等或守恒,故得到流固耦合方程:

(7)

其中,下标f表示流体;下标s表示固体。

下面建立采集器支架模型,材料为不锈钢,流体域为25 ℃下空气,其他参数为系统默认即可。

2 风载荷分析

采集器支架安装在防波堤上,某些部位有约1.4 m高的金属护栏,前端安装的采集器须保持一定的稳定性,故对支架刚度有一定要求,综合考虑安装、使用、维护等因素后,重新设计的支架如图1所示,支架竖杆1.7 m,横杆1.2 m,采用不锈钢材料,焊接一体,油漆防护,总重约50 kg,通过膨胀螺丝安装在水泥地面,以方便拆装。十级台风为采集器极限工况,故后面在该工况下进行校核。

图1 支架模型

将支架模型导入ANSYS Workbench CFX,在DM模块中通过布尔运算得到流体域。支架安装现场场地空旷,故流体域要足够宽广,此处流体域尺寸设为30 m×30 m×20 m,划分网格后见图2。流体域选择25 ℃理想气体,湍流模型选择Shear Stress Transport,地面采用有摩擦的wall壁面条件,顶部采用自由滑移壁面条件。十级台风风速约为28.4 m/s,根据《GB50009-2012建筑结构载荷规范》可得风压为490 Pa左右,选择支架的最大迎风面施加风速,施加边界条件后见图3。

图2 流体域网格划分

图3 流体域施加边界条件

求解后得到模型的风速、风压分布见图4～10,其中图5～7为平行风速剖面上的风速、风压变化,图8～10为垂直风速剖面上的风速、风压变化。

图4 风速矢量图

图5 平行风速剖面风速云图

由图4、图5可知:初始风速为28.4 m/s,风速分布基本符合抛物线分布,地面附近风速较慢,离地面越远风速越快。由图6、图7可知:在风吹支架受阻后风速降低的过程中,支架迎风面形成高压气幕,支架背风面形成负压,与实际工况亦相符。由图8～10可知:在风吹支架受阻后,风向改变,部分区域风速加快,造成支架附近风压小于远处。

图6 平行风速剖面风速矢量图

图7 平行风速剖面风压云图

图8 垂直风速剖面风速云图

图9 垂直风速剖面风速矢量图

图10 垂直风速剖面风压云图

3 结构强度分析

将CFX得到的支架风压数据导入静力学分析模块,见图11。支架前端安装的采集器重约8 kg,底座安装在水泥地面上,故模型施加约束、载荷后见图12。求解得到支架的总体变形、应力、应变云图,分别见图13～15。

图11 支架受风压矢量图

图12 支架约束载荷图

图13 支架总体变形

由图13可知:支架最小变形在底座处,最大形变发生在最前端安装面位置,该处位移为风吹偏移和采集器下压形变的叠加,最大值为0.75 mm,形变量很小,说明支架刚度很高,可保证仪器平稳,减少晃动。由图14、图15可知:最大应力和最大应变发生在竖杆和加强角板的连接处,最大应力值为14.47 MPa,远小于钢材许用应力。最大应力点的位置也再次证明了底座加强角板的必要性,与实际经验相符。

图14 支架应力云图

4 结束语

本文通过基于ANSYS Workbench的校核得到改进后的支架在十级台风条件下的最大变形为0.75 mm,最大应力为14.47 MPa,满足刚度、强度要求。新安装方案考虑工程实际,支架缩小了尺寸,降低了重量,易于安装维护,极端天气下也方便拆卸入库,满足设计改进要求。