风洞结构设计的发展趋势

风洞结构设计的发展趋势随着现代飞行器研制的高速发展，具有复杂外形和特种飞行环境要求的飞行器不断涌现，对气动力研究提出了新的气动力试验要求。

风洞作为气动力试验研究必不可少的试验设备，新的气动力试验问题使风洞朝着具有更强的试验能力、高的生产效率及低的运行费用的方向发展。

风洞作为提供并保证风洞试验功能和性能的重要设备，决定其运行功能和性能的重要关键技术之一是风洞结构设计。

风洞结构设计的主要目的是如何保证风洞结构具有气动力设计性能所要求的结构型式、以及为风洞试验提供各种特种试验所需的试验设备。

二十世纪七十年代以来，为使风洞具有更强的试验能力、高的生产效率及低的运行费用。

世界各国作了大量的试验研究工作，在改造原有风洞的同时，发展了许多新型特种风洞试验设备，使风洞结构设计技术取得了较快的发展。

尤其是随着相关专业技术的发展和计算机技术的飞速发展，风洞结构设计在传统的风洞结构设计方法的基础上取得了明显的成效。

但应看到，风洞结构作为一个有机的整体，要满足气动性能、运行工况等各方面提出的要求，其结构设计极其复杂，仍有一些技术不够成熟，有许多结构问题仍未解决。

典型的如风洞结构的整体综合强度刚度优化配置、风洞整体结构振动、风洞中运动执行机构的振动、执行机构的传动精度及稳定性、以及特种风洞结构性能等问题。

随着科学技术水平的加速发展,特别是计算机软硬件性能和水平的持续提高,以及计算机技术对各行各业全面深入的渗透，各技术领域的思维、观念和方法不断得以更新。

基于现有性能优良的风洞所建立的传统设计准则与方法也相应发生了根本性的改变。

面对气动力试验对风洞结构性能和功能的新要求，为实现进一步提高风洞气流品质、提高实验数据的精准度，以及尽可能满足新的气动力要求，使风洞具有更强的试验能力、高的生产效率及低的运行费用的发展目的，在风洞结构设计上不断地开展新技术创新与应用，并将现代设计方法引入到风洞结构设计之中是风洞结构设计发展的新的趋势特征。

9.1 加强新技术创新，提高风洞结构性能风洞结构设计是一门专业面宽、多种学科综合应用的系统工程，涉及流体力学、机械系统设计、固体力学、振动与噪声控制、压力容器设计、热结构工程及土建设计等多学科；风洞结构设计的主要目的首先是要满足风洞气动力试验要求，而风洞结构性能的保证与提高取决于风洞结构设计中关键技术的创新与应用。

9.1.1逐步建立风洞结构设计的综合强度刚度设计准则风洞结构设计不同于一般机械产品设计的最大特征是风洞是单件设计制造、既类似于化工容器设计，又类似于机械设计的非标设备设计。

简单地就强度刚度设计而言，应将各种强度及刚度（静强度、动强度、热强度、疲劳与断裂强度等）统一考虑并进行优化，综合提出一个满足各种强度与刚度要求的综合强度设计准则，使结构设计达到一个较为完善的程度。

但由于所诸多因素的制约，要达到这样的程度是非常困难的。

目前，在风洞结构设计中，对其强度刚度的设计较多的是使用“钢制压力容器设计规范”及“机械设计手册”进行设计，也有部分是应用有限元法新技术进行结构设计校核，并未形成一种较为可行的风洞结构强度刚度设计准则，具有较大的随意性，无法达到风洞结构整体强度刚度的优化配置。

因此，有必要在设计中逐步建立一种综合强度刚度设计准则。

如在风洞结构总体设计方案中，考虑温度变化、气动力载荷及地震载荷的作用，以有限元技术确定风洞整体及各部段结构的强度刚度要求、合理的支座型式与布局，以及由支座载荷确定土建设计载荷及风洞洞体加强筋的优化布局；对于符合“钢制压力容器设计”规范类结构采用其分析设计标准设计，而对于部分超出“钢制压力容器设计”规范所列举的特殊结构，尤其是一些既非压力容器又非常规结构（如特大开口补强、拐角段、风扇段等），应进行静态、动态强度刚度设计与优化配置；对风洞这类反复承受交变载荷的结构，在设计时还应考虑进行结构的疲劳强度、断裂强度设计等。

通过在风洞结构设计、制造、使用中的不断积累，逐步制定出较为统一的、使强度刚度分配合理、符合风洞结构整体和部件的强度刚度设计准则。

9.1.2 振动分析设计与控制风洞在吹风过程中，由于风洞结构受到气流的冲击以及管道内气流的脉动，必然会引起洞体结构的振动，而且，风洞本身的振动源如压缩机、引射器喷嘴、运动部件的驱动装置等均会引起风洞结构的振动。

强烈的振动不仅产生噪声，影响风洞结构的性能，而且严重时可能导致结构的破坏。

振动分析设计就是在结构设计阶段，按照风洞结构的功能、性能等方面的要求，对结构进行动态特性分析，并以其动态特性指标作为其设计准则，使结构具有良好的动态特性，以满足结构性能要求。

最为常用的为系统固有特性分析设计与动响应分析设计；而振动控制是立足于改善现有结构动态指标，优化提高其动态特性。

在风洞试验中，气动力载荷及结构本身的受力较为复杂，按静力强度刚度准则设计的风洞结构部件有时并不能满足风洞试验对结构性能的要求。

对于风洞结构设计的各个阶段、不同部段结构等应根据结构性能要求分别采取不同程度的振动分析与设计。

在风洞总体结构方案设计阶段，结合总体结构强度分析和固有特性分析，确定整个洞体的刚度配置；在风洞风扇段结构、电机支座设计中，根据振动分析确定风扇段结构的频率、电机布置及在基础与结构之间采取必要的隔振措施，防止风扇段振动及传播；在风洞中运动执行部件设计中如模型支撑系统，针对结构系统特点，结合部件所受气动力激励载荷的特性，进行瞬时结构动力学特性分析，优化设计部件的固有频率，以避免出现较大的振动而影响运动部件的工作性能；而对于风洞噪声源的风扇段、阀门、引射器及拐角段等进行振动分析与降噪设计。

对现有风洞试验中已产生振动的结构部件，开展结构振动的主动与被动控制技术应用研究，并与振动分析、动态优化设计及结构动态试验与测试研究相结合，确定对结构静、动态性能影响较大的各种设计参数，在试验中实现对结构振动和噪声的有效控制与降低。

9.1.3 多种学科耦合问题的研究根据风洞试验的特点，风洞结构的实际工作性能与气动力特性、结构特性及工作环境密切相关。

典型的如风洞风扇段压缩机叶片设计、引射器内喷管布局、拐角段内的导流片、试验段内迎角机构及其他工作于流场之中的结构，其工作性能既取决于自身的结构性能，又取决于所承受的气动力载荷，表现为明显的结构与气流的耦合特性即气动弹性现象。

而对于一些特种风洞结构设计（如低温、热结构风洞等），部件性能不仅受气动力的影响，而且受温度影响较大，其结构工作特性更为复杂，表现为气－固－热三场耦合效应。

气动弹性研究弹性物体在气流中的力学行为，即研究结构受空气动力、结构弹性力和惯性力时气动力和弹性体之间的相互影响关系。

其中最为关心的问题之一便是结构在流场中的稳定性。

对于特定的结构，其空气动力将会随主气流流速的增加而增加，而结构的弹性刚度却与气流速度无关，所以存在一个使结构处于稳定与不稳定工作状态的临界值。

静态不稳定性为扭转变形发散，动态不稳定性为颤振，这些不稳定性会引起结构产生极大的变形，甚至可导致结构的破坏。

在风洞结构中，气动弹性效应最为明显的是试验段模型支撑系统在试验段的工作特性，考虑气动弹性效应的模型支撑系统动态特性分析对型号试验更具指导性。

而且，在产生试验数据误差的诸多因素中，模型支撑系统振动引起的误差至今仍无明确的定量方法，因此，考虑气动弹性效应的结构动态特性研究是风洞结构设计中十分重要的研究方向。

对于特种风洞（如低温风洞、热结构风洞等）的结构设计，将面对结构在高温条件下运行，温度场的存在使结构的材料性质发生变化并产生热应力，这些结构往往因热应力、热变形过大而破坏。

研究耦合的温度场和热应力计算问题已显得十分迫切。

例如，通过研究热膨胀热应力，可进行风洞结构整体连接、补偿的优化设计；研究低温状态下的结构力学行为，可为低温风洞结构设计更有设计依据，并保证结构在低温状态下的功能和性能。

9.1.4 机械系统动力学行为研究风洞结构设计中既有纯结构设计如压力容器内部段，又存在大量的机械系统设计如模型支撑系统、各种运输机械、调节机构等设计。

而且，风洞中的运动执行机构，例如模型支撑系统、试验段投放机构以及特种模型试验机构等均明显表现为复杂、时变的机械系统。

机械系统动力学是结构动力学、动态试验与分析、计算机技术等飞速发展并用于解决机械系统工程实际问题的交叉学科。

对于复杂的机械系统，系统动态性能是影响其功能和性能的关键指标，研究机械系统的动力特性问题就是尽量提高机械结构动态性能如振动、噪声、稳定性等。

用传统的动力分析及优化方法，仅采用基于机构分析的瞬时假设结构模型，对时变机械系统的质量、刚度及阻尼进行优化分布或修正，在一定程度上可能改善其动态性能，但对于如风洞模型支撑系统的机械系统，机构为时变系统且存在构件弹性、运动副间隙等非线性因素，要使其满足各种工况性能要求、并具有优良的动态特性能，还需要做大量的研究工作。

而且，机械系统的动态优化正处于发展与完善阶段，不论是动态优化设计，还是动态性能的最优控制，多处于起步与发展阶段，有许多问题需要研究与解决。

9.1.5 风洞结构材料选用与工艺性研究风洞结构零部件所涉及的材料较多，既有以“钢制压力容器设计” 规范选取的一般压力容器用材，又由以承受最大设计载荷为准的高强度钢，而且风洞结构中的结构件尺寸一般较大，结构形式多样，且常常出现超出现行加工能力的结构。

因此，根据目前的机械加工、制造及焊接技术水平，依据风洞结构部件的实际工作工况和要求，选择适当的零部件材料，在满足结构性能要求的同时，提高零部件加工工艺性，达到经济实用的基本要求。

以最为典型的试验段及模型支撑系统的材料选用为例，目前惯用的材料为高强度钢，其机械加工性能差，材料与加工费用十分昂贵，但根据模型支撑系统的工作状况和性能要求，对其结构刚度的要求远强于强度的要求，而材料的刚度主要取决于材料的弹性模量而非强度极限值。

因此，选用加工性能较好，中等强度材料应该可以满足结构设计要求；再如对于较大风洞运动机构，由于结构尺寸较大，非常有必要研究在关注刚度要求的前提下研究结构型式、加工方式及材料的选用。

9.2 采用现代设计方法，提高风洞结构设计综合水平近年来，随着计算机技术的发展以及计算机辅助设计技术应用的深入，现代设计方法理论与技术的研究有了长足的进步。

现代设计方法融合了概念设计、计算机辅助设计、动态设计、动态试验及优化设计、虚拟样机技术等多项现代设计技术。

应用现代设计方法完成风洞结构设计已成为风洞结构设计的发展趋势。

9.2.1 概念设计方法概念设计方法在传统设计方法的基础上，引入使用各学科的研究成果，是对传统的设计方法的促进与发展。

概念设计包含了从结构产品的功能需求分析到进行详细设计之前的设计过程。

主要包括功能设计、原理设计、形状设计、布局设计和初步的结构设计。