应变天平系统动力学分析

第3期机械设计与制造2014年3月Machinery Design Manufacture207应变天平系统动力学分析祝小梅,蔡勇(西南科技大学制造过程测试技术省部共建教育部重点实验室,四川绵阳621010)摘要:针对应变天平系统在风泂实验中测量非定常载荷时存在明显不确定度的现象,采用有限元软件 ANSYS对天平系统进行动力学分析。分析结果表明,天平系统在动态测试实验中,天平系统在动态测试实验中,系统自身刚度对测试结果存在影响。当支撑座材料刚度足够大时,载荷满足解耦条件,即可用Y方向载荷作用代替X,Y方向载荷共同作用。且无论支撑座刚度大小如何,X和Y方向的载荷对测试点应变的作用相互不干涉。为设计天平系统时材料的选择与动态实验中应变天平系统载荷的加载提供一定的参考。关键词应变天平; ANSYS;解耦;动态分析中图分类号:TH16;TP29文献标识码:A文章编号:1001-3997(2014)03-0207-04Dynamic Analysis of Strain Balance SystemZHU Xiao-mei, CAI Yong(School of Manufacturing Science& Engineering, Southwest University of Science& Technology, Sichuan Mianyang 621010China)Abstract: There is an uncertainty phenomenon when strain balance measures in the wind tunnel experiments. So do transientanalysis to balance system in ANSYS. The result shows that the stiffness of balance system has influence on the test result.When the stiffness of supporting pedestal is large enough, Load satisfies the decoupling conditions. In other words, it is to sayY direction loading can instead of X and Y direction loading And whatever the stiffness of supporting-pedestal, the impact ofloading which are in the x-direction and y-direction on the test point is non-interference in each other. Those results provideertain reference to choose material of strain balance system in designing it and loading of strain balance system in the windtunnel experimentsKey Words: Strain Balance; ANSYS; Decoupling; Dynamic Analysis1引言中的解耦条件与自身刚度对测试结果的影响。为设计天平系统时风洞天平已有一百余年的历史特别是近30年来各种类材料的选择与动态实验中载荷的加载提供一定的参考跨超声速风洞中得到广泛地应用风洞2应变天平系统模型的建模实验中,应变天平对作用在飞行器模型上的非定常气动载荷测量应变天平系统是一种将机械量转变为电量输出的专用设备。的不确定度已经成为风洞应变实验不确定度的重要因素。国内研究的应变天平的结构模型如图1所示。支撑座7固定在地面外学者大都结合传统的材料力学和弹性力学方法设计应变天平上,天平内框6与支撑座固定在一起,从而固定应变天平。天平外的结构,这样通常忽略了天平系统本身对测量元件变形的影响以框3与天平内框之间由薄片4和贴片梁5连接,应变片贴在贴片及测量元件相互之间的变形影啊不能保证应变天平在实验结果梁上进行实验测试。加载框1与天平外框之间采用螺钉连接,飞的可靠性与合理性。近年来有限元方法( Finite element method,通行器模型装在加载框上即可进行风洞实验。常应用于预测天平刚度强度和进行优化设计。文献采用FEM对微飞行器气动测量的天平进行优化设计,标定结果与有限元结果对比表明FEM可行。文献应用FEM研究了天平的静力学贴片梁的微应变及模态,静态标定结果表明有限元方法比传统计算方法更可靠。根据项目需要,主要针对应变天平系统在风洞实验中测量非定常载荷时存在明显不确定度的现象,应用有限元软件1加载框3天平外框4薄片5贴片梁6天平内框7支撑座中国煤化工图ANSYS对此天平系统进行瞬态动力学分析,找出其在动态实验CNMHG来稿日期:201308-20基金项目:“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项课题(2012X04007-021-07)作者简介:祝小梅,(1989-),女,四川人,硕士研究生,主要研究方向:数值模拟仿真蔡勇,(1962-),男,四川人,教授,主要研究方向:计算机仿真祝小梅等:应变天平系统动力学分析第3期在风洞实验中,非定常气动载荷作用在飞行器上,载荷波通质中的传播速度,这样才能保证结果的合理性。根据式(2)计算出过飞行器和加载框传递到应变天平上从而使天平元件发生变形。波在天平系统的传播速度,并以此来规划分析时设置合理步长。贴片梁上的应变片同时发生变形,使其电阻值发生变化。它的工(1)作过程:P→E→△R。主要通过定性分析得到应变天平系统的相关规律。针对有式中;传播速度E弹性模型;介质密度。限元方法有网格要求很高,网格划分受计算能力限制,以及动态根据风洞实验中应变天平系统受到的载荷,在有限元分析分析时计算量比较大的特点因此在对天平系统进行有限元分析过程中选择冲击载荷作为加载载荷,加载载荷为在001s达到时,对其进行一定的简化。如图1所示应变天平(部分3,4,5,6)最大值(x方向最大载荷2a方向最大载荷77782k),持是关于X轴和Z轴对称,只需对其中一半进行分析即可。图1中续到015s的时候撤销载荷的作用,测试应变所贴位置处的x方每个贴片梁与四片薄片连接在一起,进行简化后,采用一片薄片向应变。代替刚度取其四倍即可。简化后的模型如图2所示。其中,部分3.2结果分析2模拟的是天平外框与加载框之间的螺钉连接件。在进行有限元321耦合与解耦分析分析时,对零件、天平中一些台阶、销孔螺栓孔进行填充处理,圆耦合是指两个或两个以上的体系或两种运动形式间通过相角、尾部圆弧面也进行简化。互作用而彼此影响以至联合起来的现象啊。解耦是用数学方法将两种运动分离开来处理问题,常用解耦方法就是忽略或简化对所研究问题影响较小的一种运动,只分析主要的运动。风洞实验中,根据贴片梁上应变计得到的数据处理得出的非定常气动载荷存在明显不确定度需找出此应变天平系统两个方向面载荷之间的相互影响作用以及系统在哪种情况在可以满足解耦条件,为实验提供参考瞬态动力学分析主要研究的是天平系统自身刚度对测试结果的影响。首先对天平系统的支撑座的刚度进行分析选取支撑座刚度为E=2elPa和E=2el5Pa,其余材料刚度为E=2elPa所1加载框2加载框与天平的连接件3天平外框4薄片有材料的泊松比03,密度7800kg/m3。分析天平系统承受三种情5测量位置贴片梁6天平内框7支撑座图2应变天平系统简化模型图况的载荷的作用:(1)仅Y方向的载荷作用;(2)仅X方向的载荷g 2 Simplified Model of Strain Balance作用;(3)Y方向载荷与X方向载荷共同作用3动力学分析分别对支撑座刚度E=2el1Pa和E=2e5Pa的条件下,X方3.1仿真参数向载荷作用的测试点应变值加上Y方向载荷作用的测试点应变研究的应变天平系统在风洞实验中主要承载三种载荷作值与XY两个方向载荷共同作用的测试点应变值进行对比曲用如图3(a)所示。(1)X方向的平面载荷;(2)Y方向的平面载线对比图如图4所示。因为仿真步长较小,步数较多所以只截荷;(3烧z轴的俯仰力矩。有限元分析中俯仰力矩Z等效为作取前00真结果进行比较。根据图4所示的曲线图,无论支用在加载框上的Y方向的平面载荷。因此,对于简化后天平系统撑座刚度E=2el还是E=2el5Pa,x方向载荷作用的测试点应模型上的受力载荷,如图3(b)所示。变值加上Y方向载荷作用的测试点应变值与X,Y两个方向载荷共同作用的测试点应变值相等即两个方向的载荷对测试点应变的作用没有相互干涉影响。0.000060.0004x and y a ction0.0000(a)实际模型(b)简化模型0.00002图3应变天平模型载荷加载图0.00001在 ANSYS软件分析中,模型均采用实体单元Sold180。其中国煤化工中薄片采用长宽高为1:3的六面体单元来模拟板单元进行分析。CNMHG0.040.05动力学分析时,计算仿真的步长应该小于或接近机械波介(a)支撑座E=2el1PaNo.3Mar.2014机械设计与制造2090.0000600.000070.00004x and y a ction0.000050000030.000040000020.000020.0000l0.00000.000000.000000000.010020030040050.000010020.030.04005(b)支撑座E=2el5P(a)天平内框图4载荷对比Fig 4 Load Contra0.00006将支撑座两种刚度下的六种载荷作用情况进行对比如图0.0005所示。找出此应变天平系统的解耦条件。0.000040.000080.000030.000060.000020.000050.0000E=2elOPaE=elipA IE=2el I Pa0.000030.000002e12Pa0010.020030.040050.00001→E=2 lipU x0.00000(b)薄片0.00001000020.000.00.020.030.040.050.00006(s)0.00005图5支撑座刚度对应变的影响Fig 5 The Effect of Supporting-Pedestal's0.000040.00003根据图5的曲线图可知,当X方向载荷与Y方向载荷共同作用的时候支撑座刚度对测试点应变的频率有明显影响但对0.0000E=elotA应变幅值的大小影响比较小。当支撑座刚度E=2el1Pa时,X方向一·E=2 elIPa0.00000Es2e12Pa载荷对测试点应变与Y方向载荷对测试点应变均存在明显的影响。当支撑座刚度E=2el5Pa时,即支撑座刚度足够大的时候,X0.000010.020.030040.05方向载荷对测试点应变的影响相当小,可以把仅受y方向载荷(c)连接件作用的测试点应变等效为X,Y方向载荷共同作用时测试点应变。即当支撑座大刚度时,天平系统满足解耦条件。所以在下一小0.00006节中分析其他部分刚度对测试点影响时,采用Y方向载荷代替0.00005X,Y两个方向载荷共同作用。0.00004322刚度分析0.00003所有的材料都先定义为钢杨氏模量泊松比,密度分别为0.000022 ell pa,0.3,7800Kg/m3。然后依次改变某一部分的材料刚度,分0.00001析其对测试点应变值的影响。每种材料的刚度变化都依次为·E=2 el l Pa0.000002el0Pa2 ell Pa、2el2Pa0000.010.020030.040.05关于支撑座刚度的分析,在321节中已介绍。下面依次介(d)加载框绍天平内框,如图6(a)所示。薄片,如图6(b)所示。连接件,如图6(c)所示。加载框的刚度对测试点应变的影响,如图6(d所示。THE中国煤化工响-i on Strain因为仿真步长很小,步数较多所以截取前005s根据图6CNMHG度对测试点应变值仿真结果进行比较。存在明显的影响。天平内框刚度越大测试点应变值变化频率越210机械设计与制造Mar 2014大幅值越小。但当薄片弹性模量超过E=2eI!Pa,刚度对测试点[D]长沙:国防科技大学,2009应变的影响程度减小。根据图6(b)的曲线图所示,薄片刚度越Zhu Ben-hua. Design and analysis on general project and key parts oflow-speed wind tunnel strain-gauge balance static calibration system大测试点应变值变化频率越大幅值越小。但当薄片弹性模量超[D]. Changsha: National University of Defense Technology, 2009.)过E=2elPa刚度对测试点应变的影响很小,可以忽略。根据图3]王爱玲风洞应变天平自动校准设备研制[D]成都电子科技大学,2010.6(c)的曲线图所示,天平内框的刚度对测试点应变存在的影响可Wang Ai-ling Wind tunnel strain balance automatic calibration equipm-以忽略。根据图6d)的曲线图所示,加载框的刚度对测试点应变ent developed [D ] Chengdu: University of Electronic Science and Techno-gy of China, 2010.)[4]姚裕,张召明整体式应变天平有限元设计[J]南京航空航天大学学4结论报,2010(1)5861.主要从动力学对应变天平系统进行有限元分析。分析结果(Yao Yu, Zhang Zhao-ming Finite element design on integrated boxbalance[J]. Joumal of Nanjing University of Aeronautics& Astronautics表明:(1)当支撑座刚度足够大时,此应变天平受力载荷满足解耦20101)5861.)条件,y方向载荷作用可代替X,Y方向载荷共同作用。并且无论[5] Suhariyono A, Kim J.H. Design of precision balance and aerodynamic支撑座刚度大小如何,X和Y方向的载荷对测试点应变的作用没characteristic measurement[J]. Aerospace Science and Technology, 2006(10)92-99有相互干涉影响。为风洞实验校准数据时处理方式提供了很好的6]解压军,郗忠祥,宋笔锋杆式六分量应变天平的优化设计门机械科参考,且在风洞实验中,支撑座应选用刚度较大的材料。(2)此应学与技术,2001(6):826-827变天平系统中,支撑座,天平内框的刚度对测试点应变值的存在(ie Ya-jun, Hao Zhong-xiang, Song Bi-feng. Optimization design forcomponents of the strain-gauge balance []. Mechanical Science and明显影响薄片、连接件与加载框的刚度对测试点应变没有影响。Technology,2001(6826-827.)这为天平设计的时天平应变系统的部分材料的选择提供了一定[7]王明强朱永梅刘文欣有限元网格划分方法应用研究[]机械设计的参考支撑座和天平内框刚度应选取刚度较大的材料,而薄片、与制造,2004(1)22-24Wang Ming-qiang, Zhu Yong-mei, Liu Wen-xin. The research on finite连接件和加载框则仍采用原来的材料刚即可。element mesh generation method [J] Machinery Design&Manufacture参考文献2004(1)22-24.)[l贺德馨风洞天平[M]北京国防工业出版社,2001[8]王东,周东华金以慧解耦问题的发展[J自动化博览,2001(4):6-(He De-xin Wind Tunnel Balance [M].Beijing: National Defence Industrg, Zhou Dong-hua, Jin Yi-hui. Development of decoupling[2]朱本华低速风洞应变天平校准系统总体方案及关键部件设计与分析oroblem[j]. 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