應變天平系統動(dòng)力學(xué)分析

第3期機械設計與制造2014年3月Machinery Design Manufacture207應變天平系統動(dòng)力學(xué)分析祝小梅,蔡勇(西南科技大學(xué)制造過(guò)程測試技術(shù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗室,四川綿陽(yáng)621010)摘要:針對應變天平系統在風(fēng)泂實(shí)驗中測量非定常載荷時(shí)存在明顯不確定度的現象,采用有限元軟件 ANSYS對天平系統進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。分析結果表明,天平系統在動(dòng)態(tài)測試實(shí)驗中,天平系統在動(dòng)態(tài)測試實(shí)驗中,系統自身剛度對測試結果存在影響。當支撐座材料剛度足夠大時(shí),載荷滿(mǎn)足解耦條件,即可用Y方向載荷作用代替X,Y方向載荷共同作用。且無(wú)論支撐座剛度大小如何,X和Y方向的載荷對測試點(diǎn)應變的作用相互不干涉。為設計天平系統時(shí)材料的選擇與動(dòng)態(tài)實(shí)驗中應變天平系統載荷的加載提供一定的參考。關(guān)鍵詞應變天平; ANSYS;解耦;動(dòng)態(tài)分析中圖分類(lèi)號:TH16;TP29文獻標識碼:A文章編號: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引言中的解耦條件與自身剛度對測試結果的影響。為設計天平系統時(shí)風(fēng)洞天平已有一百余年的歷史特別是近30年來(lái)各種類(lèi)材料的選擇與動(dòng)態(tài)實(shí)驗中載荷的加載提供一定的參考跨超聲速風(fēng)洞中得到廣泛地應用風(fēng)洞2應變天平系統模型的建模實(shí)驗中,應變天平對作用在飛行器模型上的非定常氣動(dòng)載荷測量應變天平系統是一種將機械量轉變?yōu)殡娏枯敵龅膶?zhuān)用設備。的不確定度已經(jīng)成為風(fēng)洞應變實(shí)驗不確定度的重要因素。國內研究的應變天平的結構模型如圖1所示。支撐座7固定在地面外學(xué)者大都結合傳統的材料力學(xué)和彈性力學(xué)方法設計應變天平上,天平內框6與支撐座固定在一起,從而固定應變天平。天平外的結構,這樣通常忽略了天平系統本身對測量元件變形的影響以框3與天平內框之間由薄片4和貼片梁5連接,應變片貼在貼片及測量元件相互之間的變形影啊不能保證應變天平在實(shí)驗結果梁上進(jìn)行實(shí)驗測試。加載框1與天平外框之間采用螺釘連接,飛的可靠性與合理性。近年來(lái)有限元方法( Finite element method,通行器模型裝在加載框上即可進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗。常應用于預測天平剛度強度和進(jìn)行優(yōu)化設計。文獻采用FEM對微飛行器氣動(dòng)測量的天平進(jìn)行優(yōu)化設計,標定結果與有限元結果對比表明FEM可行。文獻應用FEM研究了天平的靜力學(xué)貼片梁的微應變及模態(tài),靜態(tài)標定結果表明有限元方法比傳統計算方法更可靠。根據項目需要,主要針對應變天平系統在風(fēng)洞實(shí)驗中測量非定常載荷時(shí)存在明顯不確定度的現象,應用有限元軟件1加載框3天平外框4薄片5貼片梁6天平內框7支撐座中國煤化工圖ANSYS對此天平系統進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析,找出其在動(dòng)態(tài)實(shí)驗CNMHG來(lái)稿日期:201308-20基金項目:“高檔數控機床與基礎制造裝備”科技重大專(zhuān)項課題(2012X04007-021-07)作者簡(jiǎn)介:祝小梅,(1989-),女,四川人,碩士研究生,主要研究方向:數值模擬仿真蔡勇,(1962-),男,四川人,教授,主要研究方向:計算機仿真祝小梅等:應變天平系統動(dòng)力學(xué)分析第3期在風(fēng)洞實(shí)驗中,非定常氣動(dòng)載荷作用在飛行器上,載荷波通質(zhì)中的傳播速度,這樣才能保證結果的合理性。根據式(2)計算出過(guò)飛行器和加載框傳遞到應變天平上從而使天平元件發(fā)生變形。波在天平系統的傳播速度,并以此來(lái)規劃分析時(shí)設置合理步長(cháng)。貼片梁上的應變片同時(shí)發(fā)生變形,使其電阻值發(fā)生變化。它的工(1)作過(guò)程:P→E→△R。主要通過(guò)定性分析得到應變天平系統的相關(guān)規律。針對有式中;傳播速度E彈性模型;介質(zhì)密度。限元方法有網(wǎng)格要求很高,網(wǎng)格劃分受計算能力限制,以及動(dòng)態(tài)根據風(fēng)洞實(shí)驗中應變天平系統受到的載荷,在有限元分析分析時(shí)計算量比較大的特點(diǎn)因此在對天平系統進(jìn)行有限元分析過(guò)程中選擇沖擊載荷作為加載載荷,加載載荷為在001s達到時(shí),對其進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化。如圖1所示應變天平(部分3,4,5,6)最大值(x方向最大載荷2a方向最大載荷77782k),持是關(guān)于X軸和Z軸對稱(chēng),只需對其中一半進(jìn)行分析即可。圖1中續到015s的時(shí)候撤銷(xiāo)載荷的作用,測試應變所貼位置處的x方每個(gè)貼片梁與四片薄片連接在一起,進(jìn)行簡(jiǎn)化后,采用一片薄片向應變。代替剛度取其四倍即可。簡(jiǎn)化后的模型如圖2所示。其中,部分3.2結果分析2模擬的是天平外框與加載框之間的螺釘連接件。在進(jìn)行有限元321耦合與解耦分析分析時(shí),對零件、天平中一些臺階、銷(xiāo)孔螺栓孔進(jìn)行填充處理,圓耦合是指兩個(gè)或兩個(gè)以上的體系或兩種運動(dòng)形式間通過(guò)相角、尾部圓弧面也進(jìn)行簡(jiǎn)化?；プ饔枚舜擞绊懸灾谅?lián)合起來(lái)的現象啊。解耦是用數學(xué)方法將兩種運動(dòng)分離開(kāi)來(lái)處理問(wèn)題,常用解耦方法就是忽略或簡(jiǎn)化對所研究問(wèn)題影響較小的一種運動(dòng),只分析主要的運動(dòng)。風(fēng)洞實(shí)驗中,根據貼片梁上應變計得到的數據處理得出的非定常氣動(dòng)載荷存在明顯不確定度需找出此應變天平系統兩個(gè)方向面載荷之間的相互影響作用以及系統在哪種情況在可以滿(mǎn)足解耦條件,為實(shí)驗提供參考瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析主要研究的是天平系統自身剛度對測試結果的影響。首先對天平系統的支撐座的剛度進(jìn)行分析選取支撐座剛度為E=2elPa和E=2el5Pa,其余材料剛度為E=2elPa所1加載框2加載框與天平的連接件3天平外框4薄片有材料的泊松比03,密度7800kg/m3。分析天平系統承受三種情5測量位置貼片梁6天平內框7支撐座圖2應變天平系統簡(jiǎn)化模型圖況的載荷的作用:(1)僅Y方向的載荷作用;(2)僅X方向的載荷g 2 Simplified Model of Strain Balance作用;(3)Y方向載荷與X方向載荷共同作用3動(dòng)力學(xué)分析分別對支撐座剛度E=2el1Pa和E=2e5Pa的條件下,X方3.1仿真參數向載荷作用的測試點(diǎn)應變值加上Y方向載荷作用的測試點(diǎn)應變研究的應變天平系統在風(fēng)洞實(shí)驗中主要承載三種載荷作值與XY兩個(gè)方向載荷共同作用的測試點(diǎn)應變值進(jìn)行對比曲用如圖3(a)所示。(1)X方向的平面載荷;(2)Y方向的平面載線(xiàn)對比圖如圖4所示。因為仿真步長(cháng)較小,步數較多所以只截荷;(3燒z軸的俯仰力矩。有限元分析中俯仰力矩Z等效為作取前00真結果進(jìn)行比較。根據圖4所示的曲線(xiàn)圖,無(wú)論支用在加載框上的Y方向的平面載荷。因此,對于簡(jiǎn)化后天平系統撐座剛度E=2el還是E=2el5Pa,x方向載荷作用的測試點(diǎn)應模型上的受力載荷,如圖3(b)所示。變值加上Y方向載荷作用的測試點(diǎn)應變值與X,Y兩個(gè)方向載荷共同作用的測試點(diǎn)應變值相等即兩個(gè)方向的載荷對測試點(diǎn)應變的作用沒(méi)有相互干涉影響。0.000060.0004x and y a ction0.0000(a)實(shí)際模型(b)簡(jiǎn)化模型0.00002圖3應變天平模型載荷加載圖0.00001在 ANSYS軟件分析中,模型均采用實(shí)體單元Sold180。其中國煤化工中薄片采用長(cháng)寬高為1:3的六面體單元來(lái)模擬板單元進(jìn)行分析。CNMHG0.040.05動(dòng)力學(xué)分析時(shí),計算仿真的步長(cháng)應該小于或接近機械波介(a)支撐座E=2el1PaNo.3Mar.2014機械設計與制造2090.0000600.000070.00004x and y a ction0.000050000030.000040000020.000020.0000l0.00000.000000.000000000.010020030040050.000010020.030.04005(b)支撐座E=2el5P(a)天平內框圖4載荷對比Fig 4 Load Contra0.00006將支撐座兩種剛度下的六種載荷作用情況進(jìn)行對比如圖0.0005所示。找出此應變天平系統的解耦條件。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圖5支撐座剛度對應變的影響Fig 5 The Effect of Supporting-Pedestal's0.000040.00003根據圖5的曲線(xiàn)圖可知,當X方向載荷與Y方向載荷共同作用的時(shí)候支撐座剛度對測試點(diǎn)應變的頻率有明顯影響但對0.0000E=elotA應變幅值的大小影響比較小。當支撐座剛度E=2el1Pa時(shí),X方向一·E=2 elIPa0.00000Es2e12Pa載荷對測試點(diǎn)應變與Y方向載荷對測試點(diǎn)應變均存在明顯的影響。當支撐座剛度E=2el5Pa時(shí),即支撐座剛度足夠大的時(shí)候,X0.000010.020.030040.05方向載荷對測試點(diǎn)應變的影響相當小,可以把僅受y方向載荷(c)連接件作用的測試點(diǎn)應變等效為X,Y方向載荷共同作用時(shí)測試點(diǎn)應變。即當支撐座大剛度時(shí),天平系統滿(mǎn)足解耦條件。所以在下一小0.00006節中分析其他部分剛度對測試點(diǎn)影響時(shí),采用Y方向載荷代替0.00005X,Y兩個(gè)方向載荷共同作用。0.00004322剛度分析0.00003所有的材料都先定義為鋼楊氏模量泊松比,密度分別為0.000022 ell pa,0.3,7800Kg/m3。然后依次改變某一部分的材料剛度,分0.00001析其對測試點(diǎn)應變值的影響。每種材料的剛度變化都依次為·E=2 el l Pa0.000002el0Pa2 ell Pa、2el2Pa0000.010.020030.040.05關(guān)于支撐座剛度的分析,在321節中已介紹。下面依次介(d)加載框紹天平內框,如圖6(a)所示。薄片,如圖6(b)所示。連接件,如圖6(c)所示。加載框的剛度對測試點(diǎn)應變的影響,如圖6(d所示。THE中國煤化工響-i on Strain因為仿真步長(cháng)很小,步數較多所以截取前005s根據圖6CNMHG度對測試點(diǎn)應變值仿真結果進(jìn)行比較。存在明顯的影響。天平內框剛度越大測試點(diǎn)應變值變化頻率越210機械設計與制造Mar 2014大幅值越小。但當薄片彈性模量超過(guò)E=2eI!Pa,剛度對測試點(diǎn)[D]長(cháng)沙:國防科技大學(xué),2009應變的影響程度減小。根據圖6(b)的曲線(xiàn)圖所示,薄片剛度越Zhu Ben-hua. Design and analysis on general project and key parts oflow-speed wind tunnel strain-gauge balance static calibration system大測試點(diǎn)應變值變化頻率越大幅值越小。但當薄片彈性模量超[D]. Changsha: National University of Defense Technology, 2009.)過(guò)E=2elPa剛度對測試點(diǎn)應變的影響很小,可以忽略。根據圖3]王愛(ài)玲風(fēng)洞應變天平自動(dòng)校準設備研制[D]成都電子科技大學(xué),2010.6(c)的曲線(xiàn)圖所示,天平內框的剛度對測試點(diǎn)應變存在的影響可Wang Ai-ling Wind tunnel strain balance automatic calibration equipm-以忽略。根據圖6d)的曲線(xiàn)圖所示,加載框的剛度對測試點(diǎn)應變ent developed [D ] Chengdu: University of Electronic Science and Techno-gy of China, 2010.)[4]姚裕,張召明整體式應變天平有限元設計[J]南京航空航天大學(xué)學(xué)4結論報,2010(1)5861.主要從動(dòng)力學(xué)對應變天平系統進(jìn)行有限元分析。分析結果(Yao Yu, Zhang Zhao-ming Finite element design on integrated boxbalance[J]. Joumal of Nanjing University of Aeronautics& Astronautics表明:(1)當支撐座剛度足夠大時(shí),此應變天平受力載荷滿(mǎn)足解耦20101)5861.)條件,y方向載荷作用可代替X,Y方向載荷共同作用。并且無(wú)論[5] Suhariyono A, Kim J.H. Design of precision balance and aerodynamic支撐座剛度大小如何,X和Y方向的載荷對測試點(diǎn)應變的作用沒(méi)characteristic measurement[J]. Aerospace Science and Technology, 2006(10)92-99有相互干涉影響。為風(fēng)洞實(shí)驗校準數據時(shí)處理方式提供了很好的6]解壓軍,郗忠祥,宋筆鋒桿式六分量應變天平的優(yōu)化設計門(mén)機械科參考,且在風(fēng)洞實(shí)驗中,支撐座應選用剛度較大的材料。(2)此應學(xué)與技術(shù),2001(6):826-827變天平系統中,支撐座,天平內框的剛度對測試點(diǎn)應變值的存在(ie Ya-jun, Hao Zhong-xiang, Song Bi-feng. Optimization design forcomponents of the strain-gauge balance []. Mechanical Science and明顯影響薄片、連接件與加載框的剛度對測試點(diǎn)應變沒(méi)有影響。Technology,2001(6826-827.)這為天平設計的時(shí)天平應變系統的部分材料的選擇提供了一定[7]王明強朱永梅劉文欣有限元網(wǎng)格劃分方法應用研究[]機械設計的參考支撐座和天平內框剛度應選取剛度較大的材料,而薄片、與制造,2004(1)22-24Wang Ming-qiang, Zhu Yong-mei, Liu Wen-xin. The research on finite連接件和加載框則仍采用原來(lái)的材料剛即可。element mesh generation method [J] Machinery Design&Manufacture參考文獻2004(1)22-24.)[l賀德馨風(fēng)洞天平[M]北京國防工業(yè)出版社,2001[8]王東,周東華金以慧解耦問(wèn)題的發(fā)展[J自動(dòng)化博覽,2001(4):6-(He De-xin Wind Tunnel Balance [M].Beijing: National Defence Industrg, Zhou Dong-hua, Jin Yi-hui. Development of decoupling[2]朱本華低速風(fēng)洞應變天平校準系統總體方案及關(guān)鍵部件設計與分析oroblem[j]. Automation Panorama, 2001(4): 6-10.)小息小小個(gè)康代代康牛個(gè)個(gè)中包意小中小代個(gè)個(gè)個(gè)個(gè)影個(gè)個(gè)個(gè)息個(gè)單(上接第206頁(yè))參考文獻2010(10):75-771]李玉青吳殿杰汽車(chē)輕量化以及鋁鎂鑄件的應用中國鑄造裝備與[8]徐紹勇李鳳娥龍思遠摩托車(chē)輪教的材料替代應用研究材料導技術(shù),2005(4):48-50報,20082(1):429438.(Li Yu-qing, Wu Dian-jie. Automobile lightening and application of Al (Xu Shao-yong, Li Feng-e, Long Si-yuan. Study on applicationofMg alloy casting [ J.China Foundry Machinery Technology, 2005material substitution of motorcycle wheel[J]. 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