慣性平臺熱分析與熱變形試驗研究

慣性平臺熱分析與熱變形試驗研究吳亞明,陳仲恒,王佳民(中國航天科技集團第16研究所,陜西西安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:從溫度場(chǎng)角度,就溫度變化對平臺裝配精屬六面體作為裝配基準的,當平臺正常工作時(shí),溫度度、軸承預緊等方面所產(chǎn)生的影響進(jìn)行了分析,并對升高,金屬六面體的安裝精度發(fā)生了變化,而以此為平臺結構系統進(jìn)行了熱分析及熱變形試驗,為平臺基準裝配的棱鏡、測漂鏡、加速度計、陀螺儀和傳感動(dòng)態(tài)測試參數超差問(wèn)題的解決提供了一定的依據。器的安裝精度也會(huì )發(fā)生變化,從而影響了平臺系統關(guān)鍵詞:慣性平臺系統;熱分析;熱變形;有限元的精度和穩定性。熱變形還會(huì )影響軸和軸承之間的中圖分類(lèi)號:TH161配合,使得軸與軸承之間的配合間隙發(fā)生變化.這樣文獻標識碼:A軸承的預緊力就會(huì )變大或者變小。而預緊力的大小文章編號:1001-2257(2006)12-0016-04對軸承的性能有著(zhù)極為重要的影響:預緊力過(guò)大Abstract: This paper carry a analysis through然可以獲得較高的軸向剛度及抗卸載能力,但卻使thermal field, considering the influence of tempera-軸承的摩擦力矩陡增,而且容易出現“死點(diǎn)”;預緊力ture movement, conducted an heat distortion test過(guò)小,雖然摩擦力矩小了,但軸向剛度減少,在較大experiment of the transformation problem of flat的加速度作用下容易發(fā)生卸載,出現間隙。因此assembly accuracy and bearing preloaded force.熱變形使得軸承的摩擦力矩發(fā)生變化,從而使平臺Then the problem is solved of instruments on在測試時(shí)精度不符合要求。which severally improve on a certain extent2臺體組件熱分析Key words: inertial platform system; thermalnalysis; heat distortion; finite element2.1有限元分析模型和邊界條件的確定運用UG創(chuàng )建了臺體組件的幾何模型,對于臺0引言體的一些小孔作了簡(jiǎn)化,一些不是很重要的曲面也作了改動(dòng),這樣方便進(jìn)行有限元求解,然后把它導入在對慣性平臺進(jìn)行附加漂移杋理分析時(shí),發(fā)現有限元分析軟件得到其有限元模型軸系間隙的大小也是影響平臺系統動(dòng)態(tài)精度的原因文中所要做的分析是平臺正常工作時(shí)的穩態(tài)熱之一。平臺的裝配是在室溫下進(jìn)行的,裝配尺寸、公分析,臺體的邊界條件取決于其工作時(shí)候的情況差及預緊力都滿(mǎn)足要求,而在平臺通電后,由于發(fā)熱通過(guò)初步試算分析后,采用如表1所示的邊界條件。以及平臺材料膨脹系數的不一致必將引起熱應力及表1慣性平臺結構系統加載明細表熱變形,進(jìn)而引起軸系預緊力變化,從而影響了平臺對流輻射系統的精度和性能。位置溫度對流系數溫度值輻射溫度值W/m2)(C)函數(C1熱變形對平臺精度的影響中國煤化工400.840內框Vu0.8對于液浮平臺來(lái)說(shuō),溫度的變化對平臺的精度CNMHG 35外框架和穩定性影響是很大的。平臺裝配是在室溫下以金其它位陀螺收稿日期:2006-05-30加速度表·16《機械與電子》2006(12經(jīng)過(guò)程序計算得岀平臺結構系統的溫度場(chǎng)分布是低溫端的溫度載荷;最高溫度為55.90℃,位于Z如圖1所示。其中,最高溫度為56.004℃,最低溫向陀螺的頂端度為30.008C2。圖2臺體組件溫度場(chǎng)分布圖1平臺框架傳遞系統溫度場(chǎng)分布2.3臺體組件熱應力場(chǎng)分析通過(guò)對平臺框架傳遞系統的溫度場(chǎng)分析可以得通過(guò)臺體組件的溫度場(chǎng)分析,可得到各個(gè)單元到臺體上下軸面的溫度值。分別在上下軸面上取8工作時(shí)的溫度值,此溫度值與初始溫度值相比有了個(gè)點(diǎn),其溫度值如表2所示。變化。將此溫度結果讀入結構分析模塊,作為溫度表2臺體上下軸面面溫度取值表載荷在結構分析中加上位置約束條件,設定組件中測溫點(diǎn)12345678平均值臺體上下軸面的位移值為零,再進(jìn)行分析,就可求得上軸面50.750.9850.9850.80506050.6350.6550.9550.82熱應力值。經(jīng)過(guò)分析得出應力分布如圖3所示下軸面52.1252.1652.1851.8551.8051.8251.9152.1051.99由表2可知,上下軸面上的8個(gè)平均分布的點(diǎn)的溫度的差值都在0.3C以?xún)?因此,可以取其平均值作為臺體組件的溫度場(chǎng)分析的邊界條件。2.2臺體組件溫度場(chǎng)分析在對平臺框架傳遞系統進(jìn)行了溫度場(chǎng)分布分析以后,就可以以其結果作為邊界條件,分析其中的臺體組件的溫度場(chǎng),為進(jìn)行臺體組件的熱應力分析做準備。臺體組件的材料是鋁和鈦合金,加載情況如表3所示圖3臺體組件熱應力場(chǎng)分布表3臺體組件加載明細表由計算結果可以得出以下2點(diǎn)結論對流輻射位置(C)系數a.應力的最大值是340MPa,應力的最大值出值輻射溫度值(W/m2)(C)函數現在位置約束面上。結構中的引起應力集中的圓孔H輝號其它位部位的應力值也很大。而一般部位的應力值大小范上軸面50,80圍在0.1~10MPa之間,應力值明顯增大?？偟膩?lái)下軸面52.06陀螺說(shuō),臺體組件的熱應力場(chǎng)還是比較好的b.加速度表通過(guò)鈦合金的隔熱墊與臺體相連臺體、陀螺、加速度表的邊界條件處理和平臺結由于材料屬性的不同,導致產(chǎn)生不同的熱變形,因此構系統溫度場(chǎng)分析中的一樣,只是簡(jiǎn)化了傳熱網(wǎng)絡(luò ),存在中國煤化工。MPa左右。而陀螺低溫邊界條件由臺體上下軸面來(lái)提供。計算得到臺安裝CNMH面的應力值小,大小在體組件的溫度場(chǎng)分布如圖2所示。從圖2可以看出1MPa左右以下幾點(diǎn):臺體組件的溫度場(chǎng)分布中,最低溫度為臺體組件的熱變形如圖4所示,臺體組件的熱50.82℃,出現在臺體與臺體上軸的接觸面處,也就位移如圖5所示?！稒C械與電子》2006(12)試驗的試驗對象,按照正常的技術(shù)狀態(tài)貼上2片加熱片,安裝1個(gè)熱敏繼電器,以及3塊加速度計和3塊陀螺。試驗時(shí),將試驗臺體通過(guò)隔熱材料放于平板上,然后將臺體上的加熱片引線(xiàn)與PZ-21C總裝測試儀(以下簡(jiǎn)稱(chēng)測試儀)后面板的臺體溫控接線(xiàn)柱相連,然后將千分尺的測試頭與臺體上的軸安裝面相接觸,并將千分尺調到零位,作為初始位置,此時(shí)給測試儀通電,臺體組合件將通過(guò)加熱片及表頭加熱,由此觀(guān)察臺體在軸向由于受熱產(chǎn)生的變形量圖4臺體組件熱結構耦合變形當臺體組合件各表頭溫控到溫時(shí)(通過(guò)測試儀上的臺體加熱指示燈判斷),記錄下此時(shí)千分表的位移量,作為最大的變形量δmx;然后將測試儀斷電使臺體組合件自然冷卻,變形量將逐漸減小,并觀(guān)察最終值能否回復到初始位置,試驗時(shí),共采取了4種方案來(lái)考察臺體的軸向熱變形量。這4種方案分別是:方案1,將臺體(僅裝有2片加熱片)直接放在平板上;方案2,在臺體(僅裝有2片加熱片)與平板之間加一隔熱墊(材料為鈦合金);方案3,在臺體(僅裝有2片加熱片)與圖5臺體組件熱位移平板之間加一弧形板(材料為膠木板);方案4.將臺從圖4和圖5可以看出,由于溫度的升高,臺體體組合件直接放在平板上組件上的變形情況也不一樣,圖中的最大位移值為3.2試驗數據及結果分析0.1700mm,出現在Z陀螺上,臺體上的位移最大按照以上4種方案,分別進(jìn)行了相應的加熱試值相應的出現在Z陀螺安裝面離中心最遠處,大小驗,數據如表4所示。為0.1287mm。在對臺體組件進(jìn)行熱分析時(shí),對表44種方案在不同位置時(shí)的熱變形量mm臺體上下軸承安裝面施加了零位移約束條件,通過(guò)方案位置Ⅱ位置Ⅳ應力場(chǎng)分布圖可知,在安裝面上產(chǎn)生了很大的熱應0.0580.058力,這種熱應力在實(shí)際平臺工作時(shí)必將作用于軸系0.064上,引起軸系裝配尺寸的變化,從而影響了軸承的預0.064緊力和摩擦力矩。所以在下一節做一個(gè)熱變形試從表4可以得出,4種方案下臺體軸向均有明驗,模擬裝配時(shí)的條件,實(shí)測軸承安裝面熱位移大顯的熱變形量其中在方案4中,熱變形量最大,達小,以對這種影響的大小有個(gè)量的確定。到0.072mm。因此,由試驗可知,臺體軸向尺寸在臺體的熱變形試驗加熱與非加熱2種狀態(tài)下有0.058~0.072mm的變化量在上面的臺體組件熱分析的基礎之上,進(jìn)行了在4種方案中,方案4的狀態(tài)最接近實(shí)際情況個(gè)臺體的熱變形試驗,通過(guò)對平臺臺體進(jìn)行4種(6塊表頭與加熱片同時(shí)加溫),整個(gè)臺體組合件的方式的加熱試驗,來(lái)考察臺體軸向的熱變形量得出發(fā)熱量最大,所以它的變形量最大;而其余3種方了在4種不同方式的加熱狀態(tài)下的軸向熱變形量大案中國煤化工熱量相對較小,所以變小,為后面有限元分析的提供條件,并為溫度對臺體形量CNMHG軸向尺寸的影響程度提供一個(gè)可靠依據。3.1試驗對象和試驗方法4臺體熱位移有限元分析試驗中,選取了一件工藝臺體組合件作為這次在對臺體組件進(jìn)行了熱分析和對臺體進(jìn)行了熱《機械與電子》2006(12變形試驗以后,應用有限元軟對臺體進(jìn)行了熱位移了解決這個(gè)問(wèn)題采用成對、有預緊力的角接觸球軸的有限元分析,分析狀態(tài)是模擬熱變形試驗狀態(tài)1承來(lái)消除熱脹冷縮的影響。成對軸承以配對形式使的情況.只有2塊加熱片,上、下端面在室溫狀態(tài)下,用,在軸的毎一端裝一對軸承,其中一端內、外圈壓求解結果如圖6所示緊.另一端內圈與軸之間可以滑動(dòng),從而消除熱脹冷縮的影響成對軸承采用面對面或者背靠背的安裝形式。為了驗證上面措施的有效性,對2套平臺進(jìn)行了換軸承試驗,換軸承前后的漂移誤差比較如表5所表514#平臺X軸振動(dòng)漂移測量結果(°)/h試驗狀態(tài)Y向Z向Aur△ay△o:△cr△oy△o:△mr△ay△u換軸承前,6:4e該換軸承后00-0.0310.031圖6臺體熱位移分布從表5可以看出,換軸承后平臺的漂移明顯比原來(lái)從圖6中可知臺體的最大熱位移量為7.657好,這說(shuō)明采用的措施是合理的。10-5m,最小為6.551×106m,臺體軸部分的熱變對于金屬六面體這個(gè)安裝基準而言,原來(lái)使用形量取了4個(gè)點(diǎn),分別為:4.905×10-5m,4.496×3個(gè)固定螺釘,而且是同一個(gè)旋向在這種情況下,誤105m,4.152×105m,3.810×105m。與上面差有時(shí)高達3,現在使用4各固定螺釘,2個(gè)左旋,2熱變形試驗測的的結果相比,可以看到它們都在個(gè)右旋,很好的解決了這個(gè)問(wèn)題使精度達到了指標個(gè)數量級,基本上吻合,這說(shuō)明分析模型建的比較合要求。理,分析結果可信。綜合上面的有限元分析結果和試驗結果,可以6結束語(yǔ)看出在平臺正常工作狀態(tài)下臺體軸由于受熱會(huì )發(fā)生通過(guò)分析熱變形對平臺系統精度和穩定性的影變形,這使得在室溫環(huán)境下裝配的平臺裝配精度發(fā)響,確定對平臺結構系統進(jìn)行熱分析和熱設計的必生了變化,臺體受熱變形還將導致金屬六面體的安要性,通過(guò)對平臺臺體組件進(jìn)行的熱分析,得到了其裝精度發(fā)生變化,從而使以金屬六面體為安裝基準在正常工作條件下的溫度場(chǎng)和熱應力的大小。進(jìn)行的其它慣性?xún)x表的安裝精度也跟著(zhù)發(fā)生變化軸系了臺體熱變形試驗,試驗表明臺體軸在正常工作條間的配合間隙也會(huì )發(fā)生了變化,使得軸承的摩擦力件下將產(chǎn)生一定的熱變形,進(jìn)而對平臺臺體進(jìn)行了矩增大或者減小,這些變化使得平臺的漂移誤差加熱位移的有限元分析,分析結果和熱變形試驗結果大,為了減小這種誤差,必須對此進(jìn)行改進(jìn)比較吻合,從而驗證了溫度場(chǎng)有限元分析的合理性;5減小熱變形影響的改進(jìn)措施最后,從平臺裝配工藝上提出一些減小熱變形影響的具體措施,實(shí)驗證明文中所提岀的改進(jìn)措施對提慣性平臺軸承支承平臺框架組件,在較強的振高平臺的動(dòng)態(tài)性能具有明顯的效果動(dòng)、沖擊條件下以低速(擺動(dòng))工作。要求軸承做到高的定位精度以及極低摩擦力矩,屬高精度的靈敏參考文獻軸承。同時(shí)還要求軸承具有較高的軸向和徑向剛波.慣性平臺軸承預緊力及其剛度的分析度,盡量做到平臺3個(gè)框架軸向的等剛度。而且具國慣性技術(shù)學(xué)報,1998,6(4):38-42有自潤滑的能力中國煤化工熱力學(xué)分析與優(yōu)化設計平臺由于受熱,其軸將向外傳導熱量,使得軸承CNMH(院,2005和軸之間的配合間隙發(fā)生變化,配合間隙的變化使得軸承的預緊力有了變化,對軸承施加預緊力有許作者簡(jiǎn)介:吳亞明(1979-),男,陜西武功人,中國航天科多好處,但是預緊力過(guò)大或過(guò)小都有不好的一面,為技集團第16研究所碩士,研究方向為慣性平臺技術(shù)《機械與電子》2006(12)