基于CFD数值模拟天线罩结构抗风性能分析.pdf

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1、２０１４年第１９期（总第１４８期）江西建材电气工程基于ＣＦＤ数值模拟天线罩结构抗风性能分析■房志龙■河北钢铁集团矿业有限公司承德黑山铁矿，河北承德０６７４１２摘要：本文对３／４截球形夹层天线罩结构进行了ＣＦＤ数值模拟研究，为天线罩经验一般取建筑高，经ＣＦＤ数值模拟计算所得天线罩在３６ｍ／ｓ风速下结构有限元分析提供了风荷载参数。根据ＣＦＤ数值模拟技术，利用傅里迎风面平均风压系数分布见图１。叶级数展开法拟合出罩体表面上的风压分布，再利用有限元软件对风荷载作用下天线罩进行了内力分析，确定出最大位移及应力分布范围；同时用稳定分析经典的经验公式及有限元法对天线罩的整体稳定性进行计算。结果表明风

2、荷载作用下夹层天线罩结构最可能发生局部失稳，进而导致结构的整体失稳破坏，在结构设计中应予以考虑。关键词：天线罩ＣＦＤ数值模拟风荷载有限元法稳定性天线罩作为雷达的保护装置能够使之免受风沙雨雪等环境损坏，图１３６ｍ／ｓ风速下天线罩平均风压系数分布图２截球形天线罩示意图但是对电磁波则保持透明，其中泡沫或蜂窝夹层结构天线罩应用最为１．２风荷载确定广泛。随着雷达性能的不断提高，许多大型高性能雷达天线罩的直径图２为球坐标下天线罩示意图，风荷载作用下天线罩表面平均风可达２０米以上，对于这类大型结构风荷载所引起的结构失效问题尤为压力分布计算公式如下：突出。目前，国内发生多起台风作用下天线罩整体坍塌，

3、导致内部雷达１２天线被摔坏或肢解，造成很大损失，其原因归结为天线罩的力学性能不ｐ（φ，θ）＝ｑ×Ｃｐ（φ，θ）＝β２×２ρν×Ｃｐ（φ，θ）（３）［１］足。考虑到运输的要求，一般将球壳划分为若干板块。由于风荷载其中Ｃｐ（φ，θ）为模型表面的平均风压系数，可以由风洞试验或分布的不均匀性，从几起天线罩破坏现象可将其破坏归结为原材料质ＣＦＤ数值模拟确定。ｑ为风荷集度，ｖ为参考点或来流平均风速，β２为量欠佳或不均匀→面板单元连接缺陷→疲劳→局部失稳→整体破坏的阵风系数。［２］过程，因此罩体板块的连接特性及工艺性能对其局部稳定有着至关根据数值模拟的结果表明，平均风压系数Ｃｐ（φ，θ）是天线罩表

4、面作用。各点的连续函数，则可将其展开为幂级数：在天线罩内力及稳定性有限元分析中，其关键是确定出罩体表面∞ｘｎ∞Ｒｓｉｎφｃｏｓθ）ｎ上风压分布。随着ＣＦＤ数值模拟技术的不断完善发展，对体形简单建Ｃｐ（φ，θ）＝Σαｎ（）＝Σαｎ（）＝ｍ＝０Ｒｍ＝０Ｒ［３］筑能够较为真实地模拟出结构周围的平均风场分布，并且与风洞试∞ｎΣαｎ（ｓｉｎφｃｏｓθ）（４）验相比具有工作周期短、经济的优点。本文利用ＣＦＤ数值模拟技术得ｍ＝０到一定风速下罩体表面平均风压系数分布，通过傅里叶级数展开法拟当ｎ＝３时，有：２３合出天线罩表面风压分布，为有限元分析提供了风荷载参数。哈尔滨Ｃｐ（φ，θ）＝α０＋α１（ｓｉ

5、ｎφｃｏｓθ）＋α２（ｓｉｎφｃｏｓθ）＋α３（ｓｉｎφｃｏｓθ）工业大学王国荣［４］、佟丽莉［５］、复旦大学王宇飞［６］等使用有限元法对＝Ｐ０（φ）＋Ｐ１（φ）ｃｏｓθ＋Ｐ２（φ）ｃｏｓ２θ＋Ｐ３（φ）ｃｏｓ３θ风荷载作用下的天线罩进行了内力计算，给出罩体在均匀外压下的稳（５）２３定系数。本文根据ＣＦＤ数值模拟得到的罩体表面风压分布利用有限其中：Ｐ０（φ）＝α０＋０．５α２ｓｉｎφ，Ｐ１（φ）＝α１＋０．５α２ｓｉｎφ＋ｓｉｎφ，元特征值屈曲分析法计算出其稳定系数，并将计算结果与稳定分析经２３Ｐ２（φ）＝０．５α２ｓｉｎφ，Ｐ３（φ）＝０．２５α３ｓｉｎφ典的经验公式和均匀外压有限

6、元法得到的稳定系数进行比较，分析其Ｃｐ（φ，θ）近似计算公式（１）中系数α０，α１，α２，α３的确定需根据球可靠性。通过研究风荷载作用下风荷载作用下夹层天线罩结构的力学壳表面具体平均风压系数分布计算，３６ｍ／ｓ风速下平均风压系数分布特性能及稳定性能够深入了解天线罩结构风致破坏特征，同时为工程设征条件为：计提供参考依据。Ⅰ停滞点ｘ／Ｒ＝１处，即φ＝９０°，θ＝０°，ＣＰ＝１．１４；１ＣＦＤ数值模拟及风荷载确定Ⅱ顶点处ｘ／Ｒ＝０处，即φ＝０°，ＣＰ＝－１．７；１．１ＣＦＤ数值模拟Ⅲ后缘处ｘ／Ｒ＝－１处，即φ＝９０°，θ＝１８０°，ＣＰ＝０．２４；对３６ｍ／ｓ风速下直径为１８米雷达天线罩进

7、行内力计算，风荷载集Ⅳ在点φ＝５２°，θ＝３０°，ＣＰ＝０；２度取ｑ＝２．７４９ｋＮ／ｍ，雷达罩内外ＦＲＰ蒙皮材料厚度为ｔ１＝ｔ２＝１ｍｍ由以上条件可得：，聚氨酯泡沫芯材厚度为ｔｃ＝７３ｍｍ，蒙皮材料弹性模量为Ｅｆ１＝Ｅｆ２＝α０＝－１．３５，α１＝０．７０４６，α２＝２．０４００，α３＝－０．２５４６１０ＧＰａ，许用应力为１３０ＭＰａ，泡沫材料压缩模量Ｅｃｚ＝２０ＭＰａ，剪切模则有天线罩表面风压分布公式为：量为Ｇｃｉｊ＝４ＭＰａ，剪切强度为２ＭＰａ。１ｐ