CN104298823A - 一种高、低温天平分析方法及分析系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高、低温天平流-热-固耦合分析方法及系统，其中方法包括：在三维建模软件中，对高、低温天平进行参数化数学模型构建，其与预先建立的其他数模按天平实际装配关系进行虚拟组装；对上述系统进行网格划分；模拟系统中天平的实际受载情况，计算高、低温天平的强度、刚度、灵敏度及测量元件之间的相互干扰，获得高、低温天平的结构形式；模拟实际吹风情况，计算出系统的传热边界条件，并对系统加载所述传热边界条件；对所述系统进行仿真计算并对结果进行评价，以获得最终的高、低温天平的结构形式；本发明能够较为准确地反映高、低温天平的温度场与应力场，能够为天平结构设计提供指导，式能有效降低成本，缩短研制周期。

Description

一种高、低温天平分析方法及分析系统

技术领域

本发明涉及高、低温天平技术领域，尤其涉及一种高、低温天平分析方法及分析系统。

背景技术

在高、低温天平的研制过程中，准确预测其结构的合理性是很关键的工作，这包括对其温度场、应力场的计算，这可以指导天平结构设计并天平性能进行评价，这种采用虚拟仿真来辅助设计的方法，缩短了开发周期。

目前在高、低温天平的结构设计中，仅气动载荷、天平的直径和长度作为初始输入条件，未将温度考虑在内。但在高低温天平的使用过程中，气动热会对天平的结构产生一定的影响，将造成天平测量精准度下降。虽然在天平完成粘贴后，要对其进行温度补偿，但这种方式主要是解决天平上惠斯顿电桥中线路、应变计等随温度变化的问题，温度对天平结构的影响会因对天平采用不同的升降温补偿方式而不同。对一台完整天平而言，当其结构确定后，那么在特定试验条件下温度对结构的影响就已确定，因此，要解决温度对结构的影响，必须在天平设计阶段引入温度参数作为天平结构设计的初始条件。温度的获得可以通过在相似试验条件下，对结构相似的天平进行温度测量来实现，这种方式成本高，周期长，同时由于采用类比的测量方式获得，与真实情况在一定程度上存在差异。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种高、低温天平分析方法及分析系统，用以解决现高、低天平结构设计过程中因为没有考虑温度而带来的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种高、低温天平流-热-固耦合分析方法，包括：

在三维建模软件中，对高、低温天平进行参数化数学模型构建，将构建的天平参数模型与预先建立的风洞流场数模、试验模型数模、天平支杆数模、连接锥套数模以及隔热套数模按天平实际装配关系进行虚拟组装，形成一个系统；

通过有限元分析软件对上述系统进行网格划分；

模拟系统中天平的实际受载情况，计算高、低温天平的强度、刚度、灵敏度及测量元件之间的相互干扰，并据此获得高、低温天平的结构形式；

模拟实际吹风情况，计算出系统的传热边界条件，并对系统加载所述传热边界条件；在此基础上对所述系统进行仿真计算并对结果进行评价，以获得最终的高、低温天平的结构形式。

上述方法进一步包括：

在三维建模软件中对高、低温天平开展以天平测量元件全部尺寸为参数的数模构建，所述参数至少包括：天平的整体外形尺寸，各测量元件全尺寸及相互间的相对位置关系，天平中部等值过渡段的长度，天平断开槽相对于天平坐标轴系的位置尺寸；参数化数模构建完成后，将构建的天平参数模型与风洞流场数模、试验模型数模、天平支杆数模、连接锥套数模以及隔热套数模按实际装配关系进行虚拟组装，形成一个系统并将其保存为有限元分析所需的文件类型。

上述方法进一步包括：

网格划分的整体坐标系采用正交直角坐标系，X轴的方向沿天平轴方向，坐标系的中心在天平的几何中心，Z轴指向天平的侧向力测量元件方向，Y轴指向天平的法向力测量元件方向。

上述方法进一步包括：

在有限元分析软件中模拟系统中天平的实际受载情况，计算高、低温天平的强度、刚度、灵敏度及测量元件之间的相互干扰，并以通过测量元件处应变变化梯度的剧烈程度，干扰信号输出值的大小为依据，获得高、低温天平的结构形式。

上述方法进一步包括：

分析计算时，首先将除天平参数模型以外的所有部件数模抑制，将天平固定端端面全约束，仅对天平参数模型施加载荷，施加力矩和远端力的作用点都在天平参数模型的自由端端面上，施加单元载荷，计算天平在每个单元载荷作用下其对应分量的灵敏度大小、电信号输出及各测量元件之间相互干扰的大小；施加组合载荷，计算在组合载荷作用下，天平的强度与刚度；满足交叉干扰小，天平整体刚度、强度大的天平结构形式即可进行下一步分析。

上述方法进一步包括：

实际吹风情况是指试验马赫数及实际风洞条件，它与传热边界条件直接有关；传热边界条件是通过有限元分析软件中的CFX或者FLUENT模块计算获得，计算的最终结果是：风洞流场的温度。

上述方法进一步包括：

通过有限元分析软件中的CFX或者FLUENT模块计算出传热边界条件，对系统加载所述传热边界条件，包括：首先进行的是流-热耦合分析，通过Ans_ys软件中的热分析模块计算，将流场温度传递到试验模型数模、天平支杆数模、连接锥套数模以及隔热套数模4个数模上，获得上述每个数模中的温度场；接着进行热-固耦合分析，以获得的温度场为载荷条件，通过有限元分析软件中的静力学分析模块计算，得到天平各测量元件处的热应力。

上述方法进一步包括：

在有限元分析软件中对所述的系统进行仿真计算，并对计算的天平参数模型的热应力结果进行评价：判断热应力对天平各分量产生的热输出是否小于满载输出的预定百分比？如果是，则认为之前获得的天平结构即为最终的高、低温天平结构形式，否则转到最开始重新计算分析。其中，所述预定百分比为0.2％。

本发明还提供了一种高、低温天平流-热-固耦合分析系统，包括：

组装模块，用于在三维建模软件中，对高、低温天平进行参数化数学模型构建，将构建的天平参数模型与预先建立的风洞流场数模、试验模型数模、天平支杆数模、连接锥套数模以及隔热套数模按天平实际装配关系进行虚拟组装，形成一个系统；

网格划分模块，用于通过有限元分析软件对上述系统进行网格划分；

模拟模块，模拟系统中天平的实际受载情况，计算高、低温天平的强度、刚度、灵敏度及测量元件之间的相互干扰，并据此获得高、低温天平的结构形式；

评价模块，用于模拟实际吹风情况，计算出系统的传热边界条件，并对系统加载所述传热边界条件；在此基础上对所述系统进行仿真计算并对结果进行评价，以获得最终的高、低温天平的结构形式。

本发明有益效果如下：

本发明通过有限元分析，能模拟试验模型在实际吹风条件下的气动力与气动热，能够较为准确地反映高、低温天平的温度场与应力场，能够为天平结构设计提供指导，这种方式能有效降低成本，缩短研制周期。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

图1为本发明实施例所述方法的主要流程示意图；

图2为本发明实施例所述方法的具体流程示意图；

图3为本发明实施例所述系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

首先，结合附图1和2对本发明实施例所述方法进行详细说明。

如图1所示，本发明利用计算机仿真实现天平结构设计，高、低温天平流-热-固耦合设计方法主要是在天平静力学分析的基础上，在获得天平优化的结构形式条件下，通过流体分析软件计算得出实际模型及试验条件下，模型周围流场的温度，在将该温度以热分析的方式传递到模型、支杆、天平等部件上，最终以计算获得温度值为条件对天平开展静力学分析，获得温度对结构的影响，进而判断天平结构是否是最优的结构形式。包括如下步骤：

步骤101：在三维建模软件(本发明实施例中采用UG三维建模软件)中，利用其参数化建模功能对高、低温天平的三维结构进行参数化数学模型构建，将构建的天平参数模型与UG三维软件中建立的风洞流场、试验模型、天平支杆、连接锥套、隔热套的三维数学模型按实际装配关系进行虚拟组装，形成一个系统，其中，试验模型数模、天平支杆数模与实际吹风模型一致；风洞流场数模是风洞洞体结构简化后的模型，它是只包括风洞试验段部分的三维模型。

本实施例中对高、低温天平结构进行参数化数学模型构建，天平结构的主要参数有：天平的整体外形尺寸(包括长度与直径)，各测量元件全尺寸(长、宽、高、数量)及相互间的相对位置关系，天平中部等值过渡段的长度，天平断开槽相对于天平坐标轴系的位置尺寸。对所有参数分别赋予一个代表符号，便于相关参数修改。参数化数模构建完成后，将构建的参数模型与风洞流场数模、试验模型数模、天平支杆等部件按实际装配关系进行组装，形成一个系统后将其保存为Ansys有限元分析所需的文件类型(XX.x_t)。

步骤102：在有限元分析软件(本发明实施例中采用Ansys有限元分析软件)中对包括试验模型在内高、低温天平各部件进行网格划分；

本实例中，对系统中的天平参数模型、试验模型数模、天平支杆数模、连接锥套数模、隔热套数模、风洞流场数模6个部件进行网格划分，其中天平参数模型中的测量元件、天平支杆数模、连接锥套数模、隔热套数模采用结构实体单元3D SOLID186号单元，天平其它部分结构、试验模型数模、风洞流场采用结构实体单元3D SOLID187号单元。该系统由6个部件组成，为保证划分网格的质量，在网格划分前需整个模型形成一个便于网格划分的有限元模型，同时部件之间的接触关系采用MPC绑定接触类型，这样处理的好处是：各部件连接处网格节点对应性较好，静力学分析的准确性更高。在网格划分时，对可能产生应力集中的部位要网格加密，以提升分析计算的精准度。

网格划分时，系统的整体坐标系采用正交直角坐标系，坐标系的中心在天平的几何中心处，X轴的方向与天平轴线同向，Y轴指向天平法向力测量元件方向，Z轴指向天平侧向力测量元件方向。网格总数是100万，系统中各部件材料的参数可以从相关文献资料中获得。

步骤103：在Ansys有限元分析软件中模拟系统中天平的实际受载情况，计算高、低温天平的强度、刚度、灵敏度及测量元件之间的相互干扰，并以通过测量元件处应变变化梯度的剧烈程度，干扰信号输出值的大小为依据，获得高、低温天平的结构形式；

本实例中，系统中天平参数模型的实际受载情况是：天平承受法向力、侧向力、轴向力以及俯仰力矩、偏航力矩和滚转力矩。分析计算时，首先将除天平以外的所有部件抑制，将天平固定端端面全约束(约束各自由度方向上的移动和转动)，仅对天平施加载荷，施加力矩和远端力的作用点都在天平的自由端端面上，通过施加单元载荷(对天平某一分量分别对应施加法向力、侧向力、轴向力以及俯仰力矩、偏航力矩和滚转力矩载荷)，计算天平在每个单元载荷作用下其对应分量的灵敏度大小、电信号输出及各测量元件之间相互干扰的大小，干扰大小主要表现在：测量元件处应变变化梯度的剧烈程度，干扰信号输出值的大小。应变变化梯度越小、干扰信号输出值越小的天平结构是越合理的。一般应变天平各分量之间的干扰输出值应控制在10％以内。施加组合载荷(对天平一次同时施加法向力、侧向力、轴向力以及俯仰力矩、偏航力矩和滚转力矩载荷)，计算在组合载荷作用下，天平的强度与刚度，强度的具体要求是：最大应力小于天平材料的屈服强度极限值除以安全系数(取6)。满足交叉干扰小，天平整体刚度、强度大的结构即可进行下一步的流-热—固耦合分析。

步骤104：在Ansys有限元分析软件中模拟实际吹风情况，计算出系统的传热边界条件；

本实例中，系统实际吹风情况使指试验马赫数及实际风洞条件，它与传热边界条件(温度)直接有关。传热边界条件是通过Ansys有限元分析软件中的CFX或者FLUENT(流体计算)模块计算获得，计算的最终结果是：风洞流场的温度。计算过程中需要的参数与试验风洞中直接测量的总温、总压等参数一致。

步骤105：在Ansys有限元分析软件中对系统加载边界条件；

本发明实施例中，对系统加载边界条件是分别通过流-热耦合分析方法和热-固耦合分析方法来实现的，具体为：通过Ansys有限元分析软件中的CFX或者FLUENT模块计算获得风洞流场的温度后，首先进行的是流-热耦合分析，通过Ansys软件中的热分析模块计算，将流场温度传递到试验模型数模、天平支杆数模、连接锥套数模以及隔热套数模这4个部件上，获得上述每个部件中的温度场；接着进行热-固耦合分析，以获得的温度场为载荷条件，通过Ansys软件中的静力学分析模块计算，得到天平各测量元件处的热应力。静力学计算中，将天平支杆的固定端全约束(约束各自由度方向上的移动和转动)。

步骤106：在Ansys有限元分析软件中对所述的系统进行仿真计算，并对计算的天平参数模型的热应力结果进行评价：判断热应力对天平各分量产生的热输出是否小于满载输出的预定百分比？(本发明实施例中设为0.2％，即判断热应力对天平各分量产生的热输出是否小于满载输出的0.2％，实际实施过程中可以根据情况具体确定，即可根据对试验数据精准度要求的高低进行适当放大)如果是，则上述步骤103中获得的天平结构即为最终的高、低温天平结构形式，否则转到步骤101重新计算分析。上述计算过程可以参考现有技术，此处不再赘述。

本实例实施计算的过程中及计算结果有如下几个关键点：

1、系统有限元模型的网格数目应尽可能密集，特别是在可能出现应力集中的几何结构突变处，系统中各部件连接处的网格节点应一一对应。

2、计算中天平的最大应力必须小于相应材料的屈服强度极限值除以安全系数。

3、通过步骤103分析计算的天平满足流程中的相关要求，但可能不满足步骤105、106分析计算后天平热输出小于对应分量满载输出0.2％的指标要求，这就需要返回到步骤101中进行相关参数的调整，然后继续进行从步骤101到106的计算分析工作。

4、天平的应力分别情况：系统在组合载荷作用下，天平体上的最大应力点出现在天平中部断开槽位置处，该处处于结构突变区域，最大应力值为180MPa,小于F141材料屈服强度极限值1754MPa的1/6满足强度要求。热输出情况：马赫数5的情况下，天平结构热输出小于各分量满载输出信号的0.2％。

接下来结合附图3对本发明实施例所述系统进行详细说明。

如图3所示，图3为本发明实施例所述系统的结构示意图，具体包括：

组装模块，用于在三维建模软件中，对高、低温天平进行参数化数学模型构建，将构建的天平参数模型与预先建立的风洞流场数模、试验模型数模、天平支杆数模、连接锥套数模以及隔热套数模按天平实际装配关系进行虚拟组装，形成一个系统；

网格划分模块，用于通过有限元分析软件对上述系统进行网格划分；

模拟模块，模拟系统中天平的实际受载情况，计算高、低温天平的强度、刚度、灵敏度及测量元件之间的相互干扰，并据此获得高、低温天平的结构形式；

评价模块，用于模拟实际吹风情况，计算出系统的传热边界条件，并对系统加载所述传热边界条件；在此基础上对所述系统进行仿真计算并对结果进行评价，以获得最终的高、低温天平的结构形式。

对于上述各个模块的具体执行实现过程，由于在上述方法中已有详细说明，故此处不再赘述。

综上所述，本发明实施例提供了一种高、低温天平分析方法及分析系统，利用本发明实施例，通过有限元分析，能模拟试验模型在实际吹风条件下的气动力与气动热，能够较为准确地反映高、低温天平的温度场与应力场，能够为天平结构设计提供指导，这种方式能有效降低成本，缩短研制周期。通过在虚拟环境中模拟系统的实际受载情况，分析天平的性能能否满足设计要求，提高了效率，同时为系统的结构设计指明了方向。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种高、低温天平流-热-固耦合分析方法，其特征在于，包括：

在三维建模软件中，对高、低温天平进行参数化数学模型构建，将构建的天平参数模型与预先建立的风洞流场数模、试验模型数模、天平支杆数模、连接锥套数模以及隔热套数模按天平实际装配关系进行虚拟组装，形成一个系统；

通过有限元分析软件对上述系统进行网格划分；

模拟系统中天平的实际受载情况，计算高、低温天平的强度、刚度、灵敏度及测量元件之间的相互干扰，并据此获得高、低温天平的结构形式；

模拟实际吹风情况，计算出系统的传热边界条件，并对系统加载所述传热边界条件；在此基础上对所述系统进行仿真计算并对结果进行评价，以获得最终的高、低温天平的结构形式。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括：

在三维建模软件中对高、低温天平开展以天平测量元件全部尺寸为参数的数模构建，所述参数至少包括：天平的整体外形尺寸，各测量元件全尺寸及相互间的相对位置关系，天平中部等值过渡段的长度，天平断开槽相对于天平坐标轴系的位置尺寸；参数化数模构建完成后，将构建的天平参数模型与风洞流场数模、试验模型数模、天平支杆数模、连接锥套数模以及隔热套数模按实际装配关系进行虚拟组装，形成一个系统并将其保存为有限元分析所需的文件类型。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括：

网格划分的整体坐标系采用正交直角坐标系，X轴的方向沿天平轴方向，坐标系的中心在天平的几何中心，Z轴指向天平的侧向力测量元件方向，Y轴指向天平的法向力测量元件方向。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括：

在有限元分析软件中模拟系统中天平的实际受载情况，分析计算高、低温天平的强度、刚度、灵敏度及测量元件之间的相互干扰，并以通过测量元件处应变变化梯度的剧烈程度，干扰信号输出值的大小为依据，获得高、低温天平的结构形式。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，进一步包括：

分析计算时，首先将除天平参数模型以外的所有部件数模抑制，将天平固定端端面全约束，仅对天平参数模型施加载荷，施加力矩和远端力的作用点都在天平参数模型的自由端端面上，施加单元载荷，计算天平在每个单元载荷作用下其对应分量的灵敏度大小、电信号输出及各测量元件之间相互干扰的大小；施加组合载荷，计算在组合载荷作用下，天平的强度与刚度；满足交叉干扰小，天平整体刚度、强度大的天平结构形式即可进行下一步分析。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括：

实际吹风情况是指试验马赫数及实际风洞条件，它与传热边界条件直接有关；传热边界条件是通过有限元分析软件中的CFX或者FLUENT模块计算获得，计算的最终结果是：风洞流场的温度。

7.根据权利要求1到6中任意一项所述的方法，其特征在于，进一步包括：

通过有限元分析软件中的CFX或者FLUENT模块计算出传热边界条件，对系统加载所述传热边界条件，包括：首先进行的是流-热耦合分析，通过Ansys软件中的热分析模块计算，将流场温度传递到试验模型数模、天平支杆数模、连接锥套数模以及隔热套数模4个数模上，获得上述每个数模中的温度场；接着进行热-固耦合分析，以获得的温度场为载荷条件，通过有限元分析软件中的静力学分析模块计算，得到天平各测量元件处的热应力。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，进一步包括：

在有限元分析软件中对所述的系统进行仿真计算，并对计算的天平参数模型的热应力结果进行评价：判断热应力对天平各分量产生的热输出是否小于满载输出的预定百分比？如果是，则认为之前获得的天平结构即为最终的高、低温天平结构形式，否则转到最开始重新计算分析。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述预定百分比为0.2％。

10.一种高、低温天平流-热-固耦合分析系统，其特征在于，包括：

组装模块，用于在三维建模软件中，对高、低温天平进行参数化数学模型构建，将构建的天平参数模型与预先建立的风洞流场数模、试验模型数模、天平支杆数模、连接锥套数模以及隔热套数模按天平实际装配关系进行虚拟组装，形成一个系统；

网格划分模块，用于通过有限元分析软件对上述系统进行网格划分；

模拟模块，模拟系统中天平的实际受载情况，计算高、低温天平的强度、刚度、灵敏度及测量元件之间的相互干扰，并据此获得高、低温天平的结构形式；

评价模块，用于模拟实际吹风情况，计算出系统的传热边界条件，并对系统加载所述传热边界条件；在此基础上对所述系统进行仿真计算并对结果进行评价，以获得最终的高、低温天平的结构形式。