大型屏蔽网载荷计算方法研究

孙 云

（海军驻上海沪东中华造船（集团）有限公司军事代表室 上海200129）

大型屏蔽网载荷计算方法研究

孙 云

（海军驻上海沪东中华造船（集团）有限公司军事代表室 上海200129）

通过大型屏蔽网载荷特点分析，提出并采用了经验公式、FLUENT、COSMOSWorks等方法，对屏蔽网的载荷进行了计算和比较，并根据风洞试验结果进行校核，提出了大型屏蔽网载荷计算的方法。

舰艇；屏蔽网；仿真计算；设计

引 言

随着水面舰艇雷达波隐身水平的不断提高，水面舰艇上层建筑的凹腔［1］散射成为制约其隐身水平进一步提高的瓶颈问题。上层建筑的凹腔主要包括舷窗、舷侧百叶窗、舷侧开口、舷侧小艇部位和舷侧舷梯部位大开口等，这类凹腔可以通过采用与船体同样倾斜角度的屏蔽装置等隐身措施予以解决。金属屏蔽网由于具有透视、透气、质量轻以及价格低廉等特点，是其中最常用屏蔽装置［2］。

金属屏蔽网表面主要承受舰艇在航行时的海上风载。为达到良好雷达波隐身效果，屏蔽网在海风作用下不仅不能出现大的变形，而且还要有抵抗海风的吹袭而不产生破坏的性能。由于金属屏蔽网表面通常比较“柔软”，为防止金属屏蔽网变形和撕裂，必须进行模态分析和结构强度设计［3］，而载荷计算是上述工作的基础。本文通过对设定参数的屏蔽网风载计算方法的研究，比较几种载荷计算方法，提出了一种计算并确定屏蔽网风载方法。

1 计算方法研究

本文将采用经验公式、FLUENT软件计算以及COSMOS Works软件计算等方法［4］，进行屏蔽网风载计算研究。

1.1 计算条件

计算条件见下页表1。

表1 计算条件

1.2 计算模型

假设金属网的后面没有腔体，是开敞的。当具有一定速度的气流作用在金属网之上时，其所受的气动载荷最大。此时如果金属网发生塑性变形或破坏，就无法恢复原状，出现损坏。因此，考虑金属网单独承受的气动载荷，是原计算模型有可能遭受的最大载荷情况。

考虑最危险的受载情况，采用的简化计算模型是对一面单独的金属网在恒定的风速下的气动载荷计算，这样的简化对于金属网来说是比较安全的。

计算中，采用载荷系数描述屏蔽网网面的载荷，载荷系数定义如下：

式中：D为网的载荷（阻力），N；

q为速压，N/m2；

S为网的面积，m2。

1.3 经验公式计算法

根据各种试验得到网的载荷系数经验公式为：

d为网丝直径，m；

l为网格尺寸，m；

V为风速，m/s；

v为空气粘性系数，海平面时

v =1.460 7×10-5m2/s。

计算结果如表2所示。

表2 经验公式计算结果

1.4 利用FLUENT软件计算

利用FLUENT软件，采用层流（Laminar）模型［5］，可以得到网的空气动力载荷，以网的平面面积为参考，计算得到网的载荷系数。

1.4.1 建立模型

流体计算对于网格的要求一般是：连续性、正交性、均匀性。由于实际模型尺寸大、单元多，为了保证FLUENT软件能够完成计算工作，计算中作了两点假设：

（1）为简化问题，用方形截面细丝代替圆形截面细丝。对于具有相同截面尺寸的方形截面丝和圆形截面丝进行计算表明，由于截面尺寸极小，两者的阻力系数差别不大。

（2）受到硬件的限制，不可能建立全尺寸模型，只能截取局部小面积网格。因为大尺寸网的各个网格具有重复性的特点，因而小面积上的载荷系数具有典型性。本计算采用8mm×8mm尺寸的网格单元总数就已达到379 552个，图1所示为局部计算网格单元。

图1 模型及气流网格（一半）

1.4.2 计算结果分析

图2是8mm×8mm单元的风速在10 m/s情况下的速度云图，不考虑边缘效应，每一细丝周围的流场是相同的，这说明小面积上的气动载荷分布具有典型性，假设是正确的。表3为载荷系数计算结果。

图2 8mm×8mm单元的10 m/s情况下的速度云图

表3 8mm×8mm尺寸网的载荷系数

1.5 利用COSMOSWorks软件计算

如图3所示，在SolidWork中，制作了8mm× 8mm尺寸的圆形和方形截面的金属丝网模型（规格0.2mm）。该模型能够反映真实金属丝网的情况，然后将SolidWork构造的模型转给COSMOSWorks软件，再进行流体计算。

图3 截面为圆形的金属丝网

COSMOSWorks是SolidWork的一个子模块，是有限元分析市场上较成熟的分析产品之一，其较强的分析能力可解决许多工程界的问题［6］，文中将其应用于分析金属网在气流中的流场特性，如图4所示。贴体网格很密，可以较好地描述网周围的流场。

图4 圆形截面金属丝网的贴体有限元网格

本文分别计算了风速24 m/s、52 m/s时的速度流场和载荷系数。图5是COSMOSFloworks计算出的速度流场，与方截面情况流场很相似。

图5 风速24 m/s情况下的速度云图

计算结果如表4所示。可见，实际圆截面的金属网阻力系数比假设的方截面情况要小。

表4 圆截面与方截面金属丝网载荷系数比较

2 计算结果验证及分析

为验证屏蔽网的载荷计算，进行了屏蔽网风载风洞试验。试验模型如图6所示，试验结果如表5所示。

图6 试验模型

表5 屏蔽网风载风洞试验结果

将风载风洞试验的结果用各种方法计算的结果进行对比，如表6所示。

表6 试验结果与各种方法计算的载荷系数对比

根据风洞试验结果，金属网的载荷系数比经验公式结果大，而比FLUENT计算结果小，即风洞试验结果介于经验公式与FLUENT计算的结果之间。而COSMOSWorks的计算结果更接近于试验结果，但是该软件不是计算空气动力学的专门软件，其计算结果只能作为参考。

风洞试验结果随风速的变化不大，这种趋势与FLUENT计算结果的趋势一致。另外，由于FLUENT的计算结果一般比试验结果要大一些，因此，取FLUENT计算的载荷系数作为强度计算的载荷依据比较合适，可以确保实际的载荷系数不会比它大，这是一种偏保守的取值。

3 结 论

本文通过对大型屏蔽网载荷特点分析，分别采用了经验公式、FLUENT软件计算以及COSMOSWorks软件计算等方法，对屏蔽网受不同垂直风速作用的载荷进行了计算和比较，并通过风洞试验对各种计算方法进行了验证和校核。根据上述研究成果研制的屏蔽网已成功应用于海军建造的多艘舰船，实船在高海况下屏蔽网使用未发生故障，表明采用FLUENT软件计算的载荷系数作为强度计算的载荷依据比较合适，有一定的设计裕度。

［1］ 王世安．水面舰船隐身技术的发展动向和分析［J］．舰船电子工程，2014（3）：16-20.

［2］ 魏晓庆. 舰船雷达波隐身技术的现状和展望［J］.舰船科学技术，2002（3）：38-41.

［3］ 候悦民，季林红. 利用有限元超单元进行大型金属网动特性分析［J］.机械设计与制造，2008（2）：61-62.

［4］ 陶益，赵齐民，庄蕊.浅谈频率选择表面技术在舰船设计中的应用［J］.船舶，2013（3）：26-28.

［5］ 赵妍. 应用FLUENT对管路细部流场的数值模拟［D］.大连：大连理工大学，2004.

［6］ 吴继飞，陶洋. 后缘修型对空腔流场特性影响分析［J］.空气动力学学报，2010（2）：197-202.

Calculation study of loads on large scale undetectable net

SUN Yun
(Military Representatives Offi ce at Hudong-Zhonghua Shipbuilding (Group) Co., Ltd., Shanghai 200129, China)

Through analyzing the characteristics of the load on large scale undetectable net, this paper puts forward the methods of empirical equation, FLUENT, COSMOSWorks, etc. It carries out the calculation and comparison of the loads on the undetectable net, which has been verifi ed according to the wind tunnel test results, and proposes the calculation method for the loads on the large scale undetectable net.

warship; undetectable net; simulated calculation; design

U647.7+04

A

1001-9855（2014）05-0031-04

2014-04-05 ；

2014-05-08

孙 云（1972-），男，工程师，研究方向：船舶设计与监造 。