第3期機(jī)械設(shè)計(jì)與制造2014年3月Machinery Design Manufacture207應(yīng)變天平系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析祝小梅,蔡勇(西南科技大學(xué)制造過程測(cè)試技術(shù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川綿陽621010)摘要:針對(duì)應(yīng)變天平系統(tǒng)在風(fēng)泂實(shí)驗(yàn)中測(cè)量非定常載荷時(shí)存在明顯不確定度的現(xiàn)象,采用有限元軟件 ANSYS對(duì)天平系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。分析結(jié)果表明,天平系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)測(cè)試實(shí)驗(yàn)中,天平系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)測(cè)試實(shí)驗(yàn)中,系統(tǒng)自身剛度對(duì)測(cè)試結(jié)果存在影響。當(dāng)支撐座材料剛度足夠大時(shí),載荷滿足解耦條件,即可用Y方向載荷作用代替X,Y方向載荷共同作用。且無論支撐座剛度大小如何,X和Y方向的載荷對(duì)測(cè)試點(diǎn)應(yīng)變的作用相互不干涉。為設(shè)計(jì)天平系統(tǒng)時(shí)材料的選擇與動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)變天平系統(tǒng)載荷的加載提供一定的參考。關(guān)鍵詞應(yīng)變天平; ANSYS;解耦;動(dòng)態(tài)分析中圖分類號(hào):TH16;TP29文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):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(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。為設(shè)計(jì)天平系統(tǒng)時(shí)風(fēng)洞天平已有一百余年的歷史特別是近30年來各種類材料的選擇與動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)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(yīng)用風(fēng)洞2應(yīng)變天平系統(tǒng)模型的建模實(shí)驗(yàn)中,應(yīng)變天平對(duì)作用在飛行器模型上的非定常氣動(dòng)載荷測(cè)量應(yīng)變天平系統(tǒng)是一種將機(jī)械量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏枯敵龅膶Ｓ迷O(shè)備。的不確定度已經(jīng)成為風(fēng)洞應(yīng)變實(shí)驗(yàn)不確定度的重要因素。國(guó)內(nèi)研究的應(yīng)變天平的結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。支撐座7固定在地面外學(xué)者大都結(jié)合傳統(tǒng)的材料力學(xué)和彈性力學(xué)方法設(shè)計(jì)應(yīng)變天平上,天平內(nèi)框6與支撐座固定在一起,從而固定應(yīng)變天平。天平外的結(jié)構(gòu),這樣通常忽略了天平系統(tǒng)本身對(duì)測(cè)量元件變形的影響以框3與天平內(nèi)框之間由薄片4和貼片梁5連接,應(yīng)變片貼在貼片及測(cè)量元件相互之間的變形影啊不能保證應(yīng)變天平在實(shí)驗(yàn)結(jié)果梁上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)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(yàn)。常應(yīng)用于預(yù)測(cè)天平剛度強(qiáng)度和進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)采用FEM對(duì)微飛行器氣動(dòng)測(cè)量的天平進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),標(biāo)定結(jié)果與有限元結(jié)果對(duì)比表明FEM可行。文獻(xiàn)應(yīng)用FEM研究了天平的靜力學(xué)貼片梁的微應(yīng)變及模態(tài),靜態(tài)標(biāo)定結(jié)果表明有限元方法比傳統(tǒng)計(jì)算方法更可靠。根據(jù)項(xiàng)目需要,主要針對(duì)應(yīng)變天平系統(tǒng)在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中測(cè)量非定常載荷時(shí)存在明顯不確定度的現(xiàn)象,應(yīng)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(nèi)框7支撐座中國(guó)煤化工圖ANSYS對(duì)此天平系統(tǒng)進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析,找出其在動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)CNMHG來稿日期:201308-20基金項(xiàng)目:“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項(xiàng)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(shù)值模擬仿真蔡勇,(1962-),男,四川人,教授,主要研究方向:計(jì)算機(jī)仿真祝小梅等:應(yīng)變天平系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析第3期在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)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(jié)果的合理性。根據(jù)式(2)計(jì)算出過飛行器和加載框傳遞到應(yīng)變天平上從而使天平元件發(fā)生變形。波在天平系統(tǒng)的傳播速度,并以此來規(guī)劃分析時(shí)設(shè)置合理步長(zhǎng)。貼片梁上的應(yīng)變片同時(shí)發(fā)生變形,使其電阻值發(fā)生變化。它的工(1)作過程:P→E→△R。主要通過定性分析得到應(yīng)變天平系統(tǒng)的相關(guān)規(guī)律。針對(duì)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(jì)算能力限制,以及動(dòng)態(tài)根據(jù)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中應(yīng)變天平系統(tǒng)受到的載荷,在有限元分析分析時(shí)計(jì)算量比較大的特點(diǎn)因此在對(duì)天平系統(tǒng)進(jìn)行有限元分析過程中選擇沖擊載荷作為加載載荷,加載載荷為在001s達(dá)到時(shí),對(duì)其進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化。如圖1所示應(yīng)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(duì)稱,只需對(duì)其中一半進(jìn)行分析即可。圖1中續(xù)到015s的時(shí)候撤銷載荷的作用,測(cè)試應(yīng)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(yīng)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(jié)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(duì)零件、天平中一些臺(tái)階、銷孔螺栓孔進(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(yùn)動(dòng)形式間通過相角、尾部圓弧面也進(jìn)行簡(jiǎn)化?；プ饔枚舜擞绊懸灾谅?lián)合起來的現(xiàn)象啊。解耦是用數(shù)學(xué)方法將兩種運(yùn)動(dòng)分離開來處理問題,常用解耦方法就是忽略或簡(jiǎn)化對(duì)所研究問題影響較小的一種運(yùn)動(dòng),只分析主要的運(yùn)動(dòng)。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中,根據(jù)貼片梁上應(yīng)變計(jì)得到的數(shù)據(jù)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(yīng)變天平系統(tǒng)兩個(gè)方向面載荷之間的相互影響作用以及系統(tǒng)在哪種情況在可以滿足解耦條件,為實(shí)驗(yàn)提供參考瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析主要研究的是天平系統(tǒng)自身剛度對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。首先對(duì)天平系統(tǒng)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(tǒng)承受三種情5測(cè)量位置貼片梁6天平內(nèi)框7支撐座圖2應(yīng)變天平系統(tǒng)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(duì)支撐座剛度E=2el1Pa和E=2e5Pa的條件下,X方3.1仿真參數(shù)向載荷作用的測(cè)試點(diǎn)應(yīng)變值加上Y方向載荷作用的測(cè)試點(diǎn)應(yīng)變研究的應(yīng)變天平系統(tǒng)在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)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(cè)試點(diǎn)應(yīng)變值進(jìn)行對(duì)比曲用如圖3(a)所示。(1)X方向的平面載荷;(2)Y方向的平面載線對(duì)比圖如圖4所示。因?yàn)榉抡娌介L(zhǎng)較小,步數(shù)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(jié)果進(jìn)行比較。根據(jù)圖4所示的曲線圖,無論支用在加載框上的Y方向的平面載荷。因此,對(duì)于簡(jiǎn)化后天平系統(tǒng)撐座剛度E=2el還是E=2el5Pa,x方向載荷作用的測(cè)試點(diǎn)應(yīng)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(cè)試點(diǎn)應(yīng)變值與X,Y兩個(gè)方向載荷共同作用的測(cè)試點(diǎn)應(yīng)變值相等即兩個(gè)方向的載荷對(duì)測(cè)試點(diǎn)應(yīng)變的作用沒有相互干涉影響。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(yīng)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(guó)煤化工中薄片采用長(zhǎng)寬高為1:3的六面體單元來模擬板單元進(jìn)行分析。CNMHG0.040.05動(dòng)力學(xué)分析時(shí),計(jì)算仿真的步長(zhǎng)應(yīng)該小于或接近機(jī)械波介(a)支撐座E=2el1PaNo.3Mar.2014機(jī)械設(shè)計(jì)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(nèi)框圖4載荷對(duì)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(duì)比如圖0.0005所示。找出此應(yīng)變天平系統(tǒng)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(duì)應(yīng)變的影響Fig 5 The Effect of Supporting-Pedestal's0.000040.00003根據(jù)圖5的曲線圖可知,當(dāng)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(duì)測(cè)試點(diǎn)應(yīng)變的頻率有明顯影響但對(duì)0.0000E=elotA應(yīng)變幅值的大小影響比較小。當(dāng)支撐座剛度E=2el1Pa時(shí),X方向一·E=2 elIPa0.00000Es2e12Pa載荷對(duì)測(cè)試點(diǎn)應(yīng)變與Y方向載荷對(duì)測(cè)試點(diǎn)應(yīng)變均存在明顯的影響。當(dāng)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(duì)測(cè)試點(diǎn)應(yīng)變的影響相當(dāng)小,可以把僅受y方向載荷(c)連接件作用的測(cè)試點(diǎn)應(yīng)變等效為X,Y方向載荷共同作用時(shí)測(cè)試點(diǎn)應(yīng)變。即當(dāng)支撐座大剛度時(shí),天平系統(tǒng)滿足解耦條件。所以在下一小0.00006節(jié)中分析其他部分剛度對(duì)測(cè)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(duì)測(cè)試點(diǎn)應(yīng)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(jié)中已介紹。下面依次介(d)加載框紹天平內(nèi)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(duì)測(cè)試點(diǎn)應(yīng)變的影響,如圖6(d所示。THE中國(guó)煤化工響-i on Strain因?yàn)榉抡娌介L(zhǎng)很小,步數(shù)較多所以截取前005s根據(jù)圖6CNMHG度對(duì)測(cè)試點(diǎn)應(yīng)變值仿真結(jié)果進(jìn)行比較。存在明顯的影響。天平內(nèi)框剛度越大測(cè)試點(diǎn)應(yīng)變值變化頻率越210機(jī)械設(shè)計(jì)與制造Mar 2014大幅值越小。但當(dāng)薄片彈性模量超過E=2eI!Pa,剛度對(duì)測(cè)試點(diǎn)[D]長(zhǎng)沙:國(guó)防科技大學(xué),2009應(yīng)變的影響程度減小。根據(jù)圖6(b)的曲線圖所示,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(cè)試點(diǎn)應(yīng)變值變化頻率越大幅值越小。但當(dāng)薄片彈性模量超[D]. Changsha: National University of Defense Technology, 2009.)過E=2elPa剛度對(duì)測(cè)試點(diǎn)應(yīng)變的影響很小,可以忽略。根據(jù)圖3]王愛玲風(fēng)洞應(yīng)變天平自動(dòng)校準(zhǔn)設(shè)備研制[D]成都電子科技大學(xué),2010.6(c)的曲線圖所示,天平內(nèi)框的剛度對(duì)測(cè)試點(diǎn)應(yīng)變存在的影響可Wang Ai-ling Wind tunnel strain balance automatic calibration equipm-以忽略。根據(jù)圖6d)的曲線圖所示,加載框的剛度對(duì)測(cè)試點(diǎn)應(yīng)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(yīng)變天平有限元設(shè)計(jì)[J]南京航空航天大學(xué)學(xué)4結(jié)論報(bào),2010(1)5861.主要從動(dòng)力學(xué)對(duì)應(yīng)變天平系統(tǒng)進(jìn)行有限元分析。分析結(jié)果(Yao Yu, Zhang Zhao-ming Finite element design on integrated boxbalance[J]. Joumal of Nanjing University of Aeronautics& Astronautics表明:(1)當(dāng)支撐座剛度足夠大時(shí),此應(yīng)變天平受力載荷滿足解耦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(duì)測(cè)試點(diǎn)應(yīng)變的作用沒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(yàn)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)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(yīng)變天平的優(yōu)化設(shè)計(jì)門機(jī)械科參考,且在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中,支撐座應(yīng)選用剛度較大的材料。(2)此應(yīng)學(xué)與技術(shù),2001(6):826-827變天平系統(tǒng)中,支撐座,天平內(nèi)框的剛度對(duì)測(cè)試點(diǎn)應(yīng)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(duì)測(cè)試點(diǎn)應(yīng)變沒有影響。Technology,2001(6826-827.)這為天平設(shè)計(jì)的時(shí)天平應(yīng)變系統(tǒng)的部分材料的選擇提供了一定[7]王明強(qiáng)朱永梅劉文欣有限元網(wǎng)格劃分方法應(yīng)用研究[]機(jī)械設(shè)計(jì)的參考支撐座和天平內(nèi)框剛度應(yīng)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的材料剛即可。element mesh generation method [J] Machinery Design&Manufacture參考文獻(xiàn)2004(1)22-24.)[l賀德馨風(fēng)洞天平[M]北京國(guó)防工業(yè)出版社,2001[8]王東,周東華金以慧解耦問題的發(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(yīng)變天平校準(zhǔn)系統(tǒng)總體方案及關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)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)參考文獻(xiàn)2010(10):75-771]李玉青吳殿杰汽車輕量化以及鋁鎂鑄件的應(yīng)用中國(guó)鑄造裝備與[8]徐紹勇李鳳娥龍思遠(yuǎn)摩托車輪教的材料替代應(yīng)用研究材料導(dǎo)技術(shù),2005(4):48-50報(bào),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]. Materials Review, 2008 22(4)48-50.)(S1):429438)[2]李寧汽車轉(zhuǎn)向管柱支架有限元分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)[J]吉林農(nóng)業(yè),2010,[9]王峰壓鑄鎂合金組織與力學(xué)性能及復(fù)雜鑄件成形研究[D沈陽沈249(l1):244-245陽工業(yè)大學(xué),2010(Li Ning. Finite element analysis and optimization of automotive steeringWang Feng, Study of microstructure and mechanical properties of diecolumn bracket[J]. Jilin Agriculture, 2010, 249(11 ): 244-245.)casting magnesium alloy and forming of complex castings [D]. Shenyang:[3]宋柯鎂合金在汽車輕量化中的應(yīng)用發(fā)展[J機(jī)械研究與應(yīng)用,2007Shenyang University of Technology, 2010.)20(1)14-l[10]楊志剛發(fā)動(dòng)機(jī)支架有限元分析及改進(jìn)[J汽車實(shí)用技術(shù),2011(2)(Song Ke. The development and application of magnesium alloys in automo-47-50.tiveindustry[J]Mechanical Research& Application, 2007, 20(1): 14-16.)(Yang Zhi-gang. Finite element analysis and optimization of automotive[4]B. L Mordike, T. Ebert. Magnesium properties-applications-potentialengine suspension system's bracket [J]. Automobile Technology, 2011[JI. Materials Science and Engineering, 2001, A302: 37-45(2):47-50)[5]陳力禾劉正林立鎂汽車工業(yè)通向新世紀(jì)的輕量化之路鑄造,[1]季學(xué)榮丁曉紅板殼結(jié)構(gòu)加強(qiáng)筋優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[J機(jī)械強(qiáng)度,2012,2004,53(1)5-11.34(5):692-698(Chen Li-he, Liu Zheng, Lin Li. Magnesium-the road to weight lightening(i Xue-rong, Ding Xiao-hong. Design optimization method of stiffenersfor automobile industry in new century[J]. Foundry, 2004, 53(1): 5-11.)on plane and shell structures[J] Journal of Mechanical Strength, 20126] Marcin Lisiecki. Finite element method in car compatibility phenomena34(5:692698)[] JJournal of KONES Powertrain and Transport,2011(18235-241.12】陳塑囊麻與的細(xì)仝化[寺林大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版,[7]余熳燁林穎鎂合金汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋有限元分析[門機(jī)械設(shè)計(jì)與制008,38(2中國(guó)煤化工造,2010(10):75-77( Chen Su-+CNMH G method of plate-shell(Yu Man -ye, Lin Ying, Finite element analyze of magnesium alloystructures with stittenersl J JOumal ot Jilin University: Engineering andobile engine cylinder cover [J] Machinery Design& ManufactureTechnology Edition, 2008, 38(2 ): 388-392.)