惯性平台热分析与热变形试验研究

惯性平台热分析与热变形试验研究吴亚明,陈仲恒,王佳民(中国航天科技集团第16研究所,陕西西安710100)Thermal Analysis of inertial Platform and Heat Distortion TestWU Ya- ming, ChEn Zhong- heng, WANG Jia-min(The 16th Institute of China Aerospace Science and Technology Corporation, Xi'an 710100, China摘要:从温度场角度,就温度变化对平台装配精属六面体作为装配基准的,当平台正常工作时,温度度、轴承预紧等方面所产生的影响进行了分析,并对升高,金属六面体的安装精度发生了变化,而以此为平台结构系统进行了热分析及热变形试验,为平台基准装配的棱镜、测漂镜、加速度计、陀螺仪和传感动态测试参数超差问题的解决提供了一定的依据。器的安装精度也会发生变化,从而影响了平台系统关键词:惯性平台系统;热分析;热变形;有限元的精度和稳定性。热变形还会影响轴和轴承之间的中图分类号:TH161配合,使得轴与轴承之间的配合间隙发生变化.这样文献标识码:A轴承的预紧力就会变大或者变小。而预紧力的大小文章编号:1001-2257(2006)12-0016-04对轴承的性能有着极为重要的影响:预紧力过大Abstract: This paper carry a analysis through然可以获得较高的轴向刚度及抗卸载能力,但却使thermal field, considering the influence of tempera-轴承的摩擦力矩陡增,而且容易出现“死点”;预紧力ture movement, conducted an heat distortion test过小,虽然摩擦力矩小了,但轴向刚度减少,在较大experiment of the transformation problem of flat的加速度作用下容易发生卸载,出现间隙。因此assembly accuracy and bearing preloaded force.热变形使得轴承的摩擦力矩发生变化,从而使平台Then the problem is solved of instruments on在测试时精度不符合要求。which severally improve on a certain extent2台体组件热分析Key words: inertial platform system; thermalnalysis; heat distortion; finite element2.1有限元分析模型和边界条件的确定运用UG创建了台体组件的几何模型,对于台0引言体的一些小孔作了简化,一些不是很重要的曲面也作了改动,这样方便进行有限元求解,然后把它导入在对惯性平台进行附加漂移杋理分析时,发现有限元分析软件得到其有限元模型轴系间隙的大小也是影响平台系统动态精度的原因文中所要做的分析是平台正常工作时的稳态热之一。平台的装配是在室温下进行的,装配尺寸、公分析,台体的边界条件取决于其工作时候的情况差及预紧力都满足要求,而在平台通电后,由于发热通过初步试算分析后,采用如表1所示的边界条件。以及平台材料膨胀系数的不一致必将引起热应力及表1惯性平台结构系统加载明细表热变形,进而引起轴系预紧力变化,从而影响了平台对流辐射系统的精度和性能。位置温度对流系数温度值辐射温度值W/m2)(C)函数(C1热变形对平台精度的影响中国煤化工400.840内框Vu0.8对于液浮平台来说,温度的变化对平台的精度CNMHG 35外框架和稳定性影响是很大的。平台装配是在室温下以金其它位陀螺收稿日期:2006-05-30加速度表·16《机械与电子》2006(12经过程序计算得岀平台结构系统的温度场分布是低温端的温度载荷;最高温度为55.90℃,位于Z如图1所示。其中,最高温度为56.004℃,最低温向陀螺的顶端度为30.008C2。图2台体组件温度场分布图1平台框架传递系统温度场分布2.3台体组件热应力场分析通过对平台框架传递系统的温度场分析可以得通过台体组件的温度场分析,可得到各个单元到台体上下轴面的温度值。分别在上下轴面上取8工作时的温度值,此温度值与初始温度值相比有了个点,其温度值如表2所示。变化。将此温度结果读入结构分析模块,作为温度表2台体上下轴面面温度取值表载荷在结构分析中加上位置约束条件,设定组件中测温点12345678平均值台体上下轴面的位移值为零,再进行分析,就可求得上轴面50.750.9850.9850.80506050.6350.6550.9550.82热应力值。经过分析得出应力分布如图3所示下轴面52.1252.1652.1851.8551.8051.8251.9152.1051.99由表2可知,上下轴面上的8个平均分布的点的温度的差值都在0.3C以内,因此,可以取其平均值作为台体组件的温度场分析的边界条件。2.2台体组件温度场分析在对平台框架传递系统进行了温度场分布分析以后,就可以以其结果作为边界条件,分析其中的台体组件的温度场,为进行台体组件的热应力分析做准备。台体组件的材料是铝和钛合金,加载情况如表3所示图3台体组件热应力场分布表3台体组件加载明细表由计算结果可以得出以下2点结论对流辐射位置(C)系数a.应力的最大值是340MPa,应力的最大值出值辐射温度值(W/m2)(C)函数现在位置约束面上。结构中的引起应力集中的圆孔H辉号其它位部位的应力值也很大。而一般部位的应力值大小范上轴面50,80围在0.1~10MPa之间,应力值明显增大。总的来下轴面52.06陀螺说,台体组件的热应力场还是比较好的b.加速度表通过钛合金的隔热垫与台体相连台体、陀螺、加速度表的边界条件处理和平台结由于材料属性的不同,导致产生不同的热变形,因此构系统温度场分析中的一样,只是简化了传热网络,存在中国煤化工。MPa左右。而陀螺低温边界条件由台体上下轴面来提供。计算得到台安装CNMH面的应力值小,大小在体组件的温度场分布如图2所示。从图2可以看出1MPa左右以下几点:台体组件的温度场分布中,最低温度为台体组件的热变形如图4所示,台体组件的热50.82℃,出现在台体与台体上轴的接触面处,也就位移如图5所示。《机械与电子》2006(12)试验的试验对象,按照正常的技术状态贴上2片加热片,安装1个热敏继电器,以及3块加速度计和3块陀螺。试验时,将试验台体通过隔热材料放于平板上,然后将台体上的加热片引线与PZ-21C总装测试仪(以下简称测试仪)后面板的台体温控接线柱相连,然后将千分尺的测试头与台体上的轴安装面相接触,并将千分尺调到零位,作为初始位置,此时给测试仪通电,台体组合件将通过加热片及表头加热,由此观察台体在轴向由于受热产生的变形量图4台体组件热结构耦合变形当台体组合件各表头温控到温时(通过测试仪上的台体加热指示灯判断),记录下此时千分表的位移量,作为最大的变形量δmx;然后将测试仪断电使台体组合件自然冷却,变形量将逐渐减小,并观察最终值能否回复到初始位置,试验时,共采取了4种方案来考察台体的轴向热变形量。这4种方案分别是:方案1,将台体(仅装有2片加热片)直接放在平板上;方案2,在台体(仅装有2片加热片)与平板之间加一隔热垫(材料为钛合金);方案3,在台体(仅装有2片加热片)与图5台体组件热位移平板之间加一弧形板(材料为胶木板);方案4.将台从图4和图5可以看出,由于温度的升高,台体体组合件直接放在平板上组件上的变形情况也不一样,图中的最大位移值为3.2试验数据及结果分析0.1700mm,出现在Z陀螺上,台体上的位移最大按照以上4种方案,分别进行了相应的加热试值相应的出现在Z陀螺安装面离中心最远处,大小验,数据如表4所示。为0.1287mm。在对台体组件进行热分析时,对表44种方案在不同位置时的热变形量mm台体上下轴承安装面施加了零位移约束条件,通过方案位置Ⅱ位置Ⅳ应力场分布图可知,在安装面上产生了很大的热应0.0580.058力,这种热应力在实际平台工作时必将作用于轴系0.064上,引起轴系装配尺寸的变化,从而影响了轴承的预0.064紧力和摩擦力矩。所以在下一节做一个热变形试从表4可以得出,4种方案下台体轴向均有明验,模拟裝配时的条件,实测轴承安装面热位移大显的热变形量其中在方案4中,热变形量最大,达小,以对这种影响的大小有个量的确定。到0.072mm。因此,由试验可知,台体轴向尺寸在台体的热变形试验加热与非加热2种状态下有0.058~0.072mm的变化量在上面的台体组件热分析的基础之上,进行了在4种方案中,方案4的状态最接近实际情况个台体的热变形试验,通过对平台台体进行4种(6块表头与加热片同时加温),整个台体组合件的方式的加热试验,来考察台体轴向的热变形量得出发热量最大,所以它的变形量最大;而其余3种方了在4种不同方式的加热状态下的轴向热变形量大案中国煤化工热量相对较小,所以变小,为后面有限元分析的提供条件,并为温度对台体形量CNMHG轴向尺寸的影响程度提供一个可靠依据。3.1试验对象和试验方法4台体热位移有限元分析试验中,选取了一件工艺台体组合件作为这次在对台体组件进行了热分析和对台体进行了热《机械与电子》2006(12变形试验以后,应用有限元软对台体进行了热位移了解决这个问题采用成对、有预紧力的角接触球轴的有限元分析,分析状态是模拟热变形试验状态1承来消除热胀冷缩的影响。成对轴承以配对形式使的情况.只有2块加热片,上、下端面在室温状态下,用,在轴的毎一端装一对轴承,其中一端内、外圈压求解结果如图6所示紧.另一端内圈与轴之间可以滑动,从而消除热胀冷缩的影响成对轴承采用面对面或者背靠背的安装形式。为了验证上面措施的有效性,对2套平台进行了换轴承试验,换轴承前后的漂移误差比较如表5所表514#平台X轴振动漂移测量结果(°)/h试验状态Y向Z向Aur△ay△o:△cr△oy△o:△mr△ay△u换轴承前,6:4e该换轴承后00-0.0310.031图6台体热位移分布从表5可以看出,换轴承后平台的漂移明显比原来从图6中可知台体的最大热位移量为7.657好,这说明采用的措施是合理的。10-5m,最小为6.551×106m,台体轴部分的热变对于金属六面体这个安装基准而言,原来使用形量取了4个点,分别为:4.905×10-5m,4.496×3个固定螺钉,而且是同一个旋向在这种情况下,误105m,4.152×105m,3.810×105m。与上面差有时高达3,现在使用4各固定螺钉,2个左旋,2热变形试验测的的结果相比,可以看到它们都在个右旋,很好的解决了这个问题使精度达到了指标个数量级,基本上吻合,这说明分析模型建的比较合要求。理,分析结果可信。综合上面的有限元分析结果和试验结果,可以6结束语看出在平台正常工作状态下台体轴由于受热会发生通过分析热变形对平台系统精度和稳定性的影变形,这使得在室温环境下装配的平台装配精度发响,确定对平台结构系统进行热分析和热设计的必生了变化,台体受热变形还将导致金属六面体的安要性,通过对平台台体组件进行的热分析,得到了其装精度发生变化,从而使以金属六面体为安装基准在正常工作条件下的温度场和热应力的大小。进行的其它惯性仪表的安装精度也跟着发生变化轴系了台体热变形试验,试验表明台体轴在正常工作条间的配合间隙也会发生了变化,使得轴承的摩擦力件下将产生一定的热变形,进而对平台台体进行了矩增大或者减小,这些变化使得平台的漂移误差加热位移的有限元分析,分析结果和热变形试验结果大,为了减小这种误差,必须对此进行改进比较吻合,从而验证了温度场有限元分析的合理性;5减小热变形影响的改进措施最后,从平台装配工艺上提出一些减小热变形影响的具体措施,实验证明文中所提岀的改进措施对提惯性平台轴承支承平台框架组件,在较强的振高平台的动态性能具有明显的效果动、冲击条件下以低速(摆动)工作。要求轴承做到高的定位精度以及极低摩擦力矩,属高精度的灵敏参考文献轴承。同时还要求轴承具有较高的轴向和径向刚波.惯性平台轴承预紧力及其刚度的分析度,尽量做到平台3个框架轴向的等刚度。而且具国惯性技术学报,1998,6(4):38-42有自润滑的能力中国煤化工热力学分析与优化设计平台由于受热,其轴将向外传导热量,使得轴承CNMH(院,2005和轴之间的配合间隙发生变化,配合间隙的变化使得轴承的预紧力有了变化,对轴承施加预紧力有许作者简介:吴亚明(1979-),男,陕西武功人,中国航天科多好处,但是预紧力过大或过小都有不好的一面,为技集团第16研究所硕士,研究方向为惯性平台技术《机械与电子》2006(12)