CN108197415B - 一种杆式天平竖直梁式轴向力元件结构的优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种杆式天平竖直梁式轴向力元件结构的优化设计方法，包括：(1)根据给定的天平各分量载荷，给出竖直梁轴向力元件的结构，并确定测量梁的数量、高度、宽度和厚度，以及测量梁与支撑梁的间距，其中测量梁与轴向力元件本体的夹角α为90°；(2)选定天平材料，对轴向力元件结构进行有限元仿真，施加六分量载荷，得到测量梁的应变分布情况；(3)调整夹角α，对调整后的天平结构进行受力仿真，得到调整后测量梁的应变分布情况；(4)建立不同夹角α的轴向力元件在法向载荷下的应变输出U_YX与夹角的关系曲线，通过线性拟合，得到夹角α与U_YX的函数关系，得到最优夹角α；(5)采用最优夹角α设计轴向力元件，并进行仿真，得到法向载荷对轴向输出的干扰。

Description

一种杆式天平竖直梁式轴向力元件结构的优化设计方法

技术领域

本发明属于航空航天试验技术领域，具体涉及一种风洞杆式天平竖直梁式轴向力元件结构的优化设计方法。

背景技术

杆式应变天平是风洞气动力试验中重要的装置，其中天平轴向力元件是天平最复杂的结构，同时轴向力也是最难测量的载荷分量之一。在气动力试验中，既要考虑模型大攻角情况下模型对天平的轴向载荷，也要满足轴向力的量程范围要求，这就造成天平刚度与天平灵敏度之间的矛盾。天平设计要综合考虑试验状态下的刚度和灵敏度要求，设计出刚度和灵敏度合适，且其他分量载荷对轴向力干扰小的轴向力元件。轴向力元件的结构形式很多，有拉压梁式、水平梁式、偏心梁式、悬臂梁式和竖直梁式等，其中“I”字形竖直梁式结构是一种典型的且应用较多的轴向力元件结构。该结构中的测量元件由两根竖直梁组成，在天平设计中心处，对称设置在天平纵向对称面的两侧，支撑元件由4n根竖直梁组成，其中每n根梁平行并联在一起，分别对称设置在天平纵向对称面的两侧和天平设计中心前后。

“I”字形竖直梁轴向力元件结构简单，刚度好，但存在法向载荷对轴向输出干扰较大的问题，尤其是针对高升阻比外形飞行器，法向载荷对轴向输出的干扰更加严峻。传统竖直梁轴向力元件的测量梁与其轴向力元件本体的夹角为90°，在轴向力和法向力作用下，天平轴向力测量梁均会发生双弯曲变形，因而法向载荷对轴向输出将会造成较大干扰。为了提高杆式应变天平的轴向力测量精准度，需要在天平设计时充分考虑结构设计的合理性，通过合适的结构优化，尽量减小法向对轴向力的干扰。

在竖直梁式轴向力元件的传统设计过程中，设计人员通过合理优化测量梁和支撑梁的数量、高度、宽度和厚度等参数，可以在保证轴向力元件测量灵敏度满足要求情况下尽量提高元件的刚度，减小分量干扰，但这种优化也是有限的，无法消除法向载荷的干扰。在测力试验中，尤其是高升阻比飞行器的测力试验时，天平轴向输出受法向载荷影响大，因此提出一种能减小法向载荷干扰的竖直梁式轴向力元件结构及优化设计方法是非常有意义的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种杆式天平竖直梁式轴向力元件结构的优化设计方法，解决法向载荷对天平轴向输出干扰较大的问题，提高天平轴向力元件的测量精准度，满足大升阻比外形飞行器的风洞试验的测力精准度要求。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种杆式天平竖直梁式轴向力元件结构的优化设计方法，包括以下步骤：

步骤一、根据给定的天平各分量载荷，给出天平竖直梁轴向力元件的大致结构，并确定测量梁和支撑梁的数量、高度、宽度和厚度，以及测量梁与支撑梁的间距，其中测量梁与轴向力元件本体的夹角α为90°；

步骤二、选定天平材料，对天平竖直梁轴向力元件结构进行有限元仿真，依次施加轴向力、法向力、俯仰力矩、侧向力、偏航力矩、滚转力矩六分量载荷，得到该轴向力元件测量梁的应变分布情况；

步骤三、调整夹角α，使α在80～100°，对调整后的天平竖直梁轴向力元件结构进行有限元仿真，依次施加轴向力、法向力、俯仰力矩、侧向力、偏航力矩、滚转力矩六分量载荷，得到调整后天平轴向力元件测量梁在不同载荷作用下的应变分布情况；

步骤四、建立不同夹角α的轴向力元件在法向载荷作用下的应变输出U_YX与夹角的关系曲线，通过线性拟合，得到夹角α与U_YX的函数关系，通过拟合的函数得到U_YX为零时的最优夹角α，此夹角α即为天平设计时轴向力元件测量梁的最优偏角；

步骤五、采用最优夹角α设计轴向力元件，对最优结构进行仿真，得到法向载荷对轴向输出的干扰。

优选的是，所述天平竖直梁轴向力元件的结构包括：

通过测量梁和多根支撑梁连接的轴向力元件后框体和轴向力元件前框体；所述轴向力元件后框体和轴向力元件前框体之间设置有斜槽；

其中，所述测量梁位于轴向力元件后框体和轴向力元件前框体之间的中部；所述多根支撑梁分别位于轴向力元件后框体和轴向力元件前框体之间的两端。

本发明至少包括以下有益效果：

(1)通过对传统竖直梁式轴向力元件测量梁结构的简单调整，能够在轴向输出灵敏度基本不变的情况下，明显减小法向载荷对轴向输出的干扰，提高天平轴向力测量精准度。

(2)轴向力元件的优化设计方法简单有效，能仅在传统天平轴向力设计过程中增加部分仿真，来确定最优偏角。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明：

图1为本发明所述天平竖直梁轴向力元件的立体结构示意图；

图2为本发明所述天平竖直梁轴向力元件的正视结构示意图

图3为本发明所述夹角α为90°时的天平竖直梁轴向力元件的结构示意图；

图4为本发明仿真过程中测量梁仿真分析区域结构示意图；

图5为本发明仿真过程中轴向力元件测量梁仿真分析区域结构示意图；

图6为本发明所述夹角α为90°时轴向力测量梁在X载荷作用下，X输出曲线示意图；

图7为本发明所述夹角α为90°时轴向力测量梁在Y载荷作用下，X输出曲线示意图；

图8为本发明所述夹角α为85°时轴向力测量梁在X载荷作用下，X输出曲线示意图；

图9为本发明所述夹角α为85°时轴向力测量梁在Y载荷作用下，X输出曲线示意图；

图10为本发明所述夹角α为95°时轴向力测量梁在X载荷作用下，X输出曲线示意图；

图11为本发明所述夹角α为95°时轴向力测量梁在Y载荷作用下，X输出曲线示意图；

图12为本发明所述夹角α为85°时的天平竖直梁轴向力元件的立体结构示意图；

图13为本发明所述夹角α为85°时的天平竖直梁轴向力元件的正视结构示意图；

图14为本发明所述夹角α为95°时的天平竖直梁轴向力元件的立体结构示意图；

图15为本发明所述夹角α为95°时的天平竖直梁轴向力元件的正视结构示意图；

图16为不同夹角α的轴向力元件在法向载荷作用下的应变输出U_YX与夹角的关系曲线。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

本发明公开了一种杆式天平竖直梁式轴向力元件结构的优化设计方法，包括以下步骤：

步骤一、根据风洞试验状态和模型气动参数，天平直径确定为20mm，同时给出了天平设计的各分量载荷如表1；根据给定的天平各分量载荷，给出天平竖直梁轴向力元件的大致结构，如图3所示，并确定测量梁和支撑梁的数量、高度、宽度和厚度，以及测量梁与支撑梁的间距，其中测量梁与轴向力元件本体的夹角α为90°；如表2所示；

表1天平设计载荷

表2天平轴向结构

	梁个数	宽度/mm	长度/mm	厚度/mm
					测量梁	2	5	10	1
支撑梁	16	5	10	1

步骤二、选定天平材料(合金钢SS，性能如表3所示)，对天平竖直梁轴向力元件结构进行有限元仿真(选择Solidworks2010软件作为三维建模和仿真平台)，依次施加轴向力、法向力、俯仰力矩、侧向力、偏航力矩、滚转力矩六分量载荷，得到该轴向力元件测量梁的应变分布情况；

其中，仿真的具体过程为：轴向力元件右端固定，左端作为施力点，轴向力元件主体网格尺寸为4mm，其中测量梁与支撑梁采用网格加密，尺寸为0.5mm，对该轴向力元件依次施加单分量载荷进行仿真，考虑应变计尺寸，选取3mm×3mm尺寸作为仿真分析区域，如图4；

将轴向力元件的两片测量梁分成8个区域，根据区域内测点的相对位置，分别用下表中代号表示，如图5和表4所示，其中1与3，2与4，5与7，6与8为对称位置；由于每个仿真区域在Z向均有一定宽度，为了便于说明仿真结果，在每个仿真区域中的取Z向平均值；

表3天平材料机械性能

表4编号与代号

编号	1	2	3	4
					代号	-X-Y-Z	-X+Y-Z	+X-Y-Z	+X+Y-Z
编号	5	6	7	8
					代号	-X-Y+Z	-X+Y+Z	+X-Y+Z	+X+Y+Z

步骤三、调整夹角α，设置α为85°，95°，对调整后的天平竖直梁轴向力元件结构进行有限元仿真，依次施加轴向力、法向力、俯仰力矩、侧向力、偏航力矩、滚转力矩六分量载荷，得到调整后天平轴向力元件测量梁在不同载荷作用下的应变分布情况，如图6～15所示；在轴向力元件测量梁的偏角分别为85°、90°和95°情况下，仿真得到轴向力元件测量梁在不同天平分量载荷情况下的应变情况。

图6～11分别为85°、90°和95°偏角情况下，轴向力测量梁在轴向力和法向力作用下的应变输出。对比图6，图8，图10可知，轴向载荷作用时，不同偏角测量梁的应变量差异较小；在90°偏角时，测量梁对称位置(Y和Z坐标相同，X坐标相反)的应变量不相等，存在一定差异。对比图7、图9、图11可知，法向载荷作用时，不同偏角测量梁的应变量差异较大，对称位置的应变量差异随偏角的增大而增大；

表5-7为不同偏角情况下，1～8号仿真区域在不同分量载荷下的平均应变量，按照惠斯通电桥的组合方式，可用得到不同轴向力元件的轴向分量在天平各分量载荷下的输出，见表8；由表5～表8结果可知，不同测量梁偏角的轴向力元件法向对轴向干扰输出变化明显，而其他五分量载荷对轴向的干扰输出受测量梁偏角影响小，且干扰比例都小于3％。

表5偏角85°时仿真区域的平均应变量

85°

X

Y

Z

Mz

My

Mx

1

7.48E-05

-1.61E-04

-7.57E-07

5.15E-06

-9.84E-06

3.34E-06

2

-7.86E-05

-1.57E-04

2.59E-06

2.05E-06

-1.08E-05

-5.31E-05

3

-7.88E-05

-1.57E-04

-2.19E-06

-4.75E-06

-8.15E-06

-5.30E-05

4

7.47E-05

-1.61E-04

9.28E-07

-7.96E-07

-8.85E-06

3.41E-06

5

7.45E-05

-1.61E-04

8.15E-07

5.24E-06

6.57E-08

-3.28E-06

6

-7.85E-05

-1.57E-04

-2.56E-06

2.14E-06

-6.48E-07

5.30E-05

7

-7.84E-05

-1.57E-04

2.13E-06

-4.83E-06

9.86E-07

5.29E-05

8

7.47E-05

-1.61E-04

-9.79E-07

-8.78E-07

6.02E-07

-3.30E-06

表6偏角90°时仿真区域的平均应变量

90°

X

Y

Z

Mz

My

Mx

1

8.68E-05

-1.32E-04

-1.14E-06

3.23E-06

2.30E-06

1.11E-05

2

-6.73E-05

-1.87E-04

2.17E-06

5.75E-07

2.19E-06

-4.80E-05

3

-6.76E-05

-1.87E-04

-1.82E-06

-2.41E-06

1.82E-06

-4.81E-05

4

8.67E-05

-1.32E-04

1.57E-06

1.50E-06

1.74E-06

1.09E-05

5

8.65E-05

-1.32E-04

1.13E-06

3.26E-06

-2.27E-06

-1.11E-05

6

-6.73E-05

-1.87E-04

-2.16E-06

4.58E-07

-2.20E-06

4.80E-05

7

-6.72E-05

-1.87E-04

1.78E-06

-2.55E-06

-1.94E-06

4.80E-05

8

8.66E-05

-1.32E-04

-1.19E-06

1.44E-06

-1.72E-06

-1.12E-05

表7偏角95°时仿真区域的平均应变量

95°

X

Y

Z

Mz

My

Mx

1

9.36E-05

-9.44E-05

-1.38E-06

1.33E-06

6.04E-06

1.88E-05

2

-5.24E-05

-2.05E-04

1.97E-06

-1.19E-06

4.90E-06

-4.17E-05

3

-5.27E-05

-2.05E-04

-1.63E-06

-7.42E-08

4.09E-06

-4.19E-05

4

9.33E-05

-9.51E-05

1.44E-06

3.64E-06

2.57E-06

1.87E-05

5

9.31E-05

-9.49E-05

1.28E-06

1.21E-06

3.16E-07

-1.86E-05

6

-5.22E-05

-2.05E-04

-2.01E-06

-1.20E-06

-2.53E-07

4.17E-05

7

-5.23E-05

-2.05E-04

1.57E-06

-7.63E-08

-7.56E-07

4.16E-05

8

9.31E-05

-9.47E-05

-1.39E-06

3.55E-06

-1.02E-06

-1.87E-05

表8轴向力元件应变输出

步骤四、建立不同夹角α的轴向力元件在法向载荷作用下的应变输出U_YX与夹角的关系曲线，如图16所示，仿真结果如表9所示，通过线性拟合，得到夹角α与U_YX的函数关系，通过拟合的函数得到U_YX为零时的最优夹角α为85.32°，此夹角α即为天平设计时轴向力元件的测量梁最优偏角；

步骤五、采用最优夹角α设计轴向力元件，对最优结构进行仿真，得到法向载荷对轴向输出的干扰，见表9所示，由表9结果可知，通过结构优化，法向载荷对轴向干扰比例从35.55％降低到-0.27％，优化效果显著；

表9不同偏角仿真结果

偏角	85°	90°	95°	85.32°
					轴向输出	6.13×10-4	6.16×10-4	5.83×10-4	6.16×10-4
法向载荷对轴向输出干扰	-1.68E-05	2.19E-04	4.41E-04	-1.69E-06
					法向载荷对轴向干扰比例	-2.74％	35.55％	75.64％	-0.27％

在本发明中，天平尺寸和设计载荷的差异，造成竖直梁式轴向力元件的结构必然存在差异，比如测量梁与支撑梁的间距差异，测量梁与支撑梁厚度差异和高度差异等，因此在设计此类轴向力元件时，应先完成初步设计，再通过有限元仿真得到不同夹角α的轴向力元件在法向载荷作用下的轴向干扰，通过线性拟合的方式求解最优夹角α，最终完成竖直梁式轴向力元件的优化设计。

在上述技术方案中，如图1～2所示，所述天平竖直梁轴向力元件的结构包括：

通过测量梁4和多根支撑梁5连接的轴向力元件后框体1和轴向力元件前框体2，其组成平行四边形机构，所述轴向力元件后框体1和轴向力元件前框体2之间设置有斜槽3；

其中，所述测量梁4位于轴向力元件后框体1和轴向力元件前框体2之间的中部；所述多根支撑梁5分别位于轴向力元件后框体1和轴向力元件前框体2之间的两端，即两端分别设置有四根支撑梁；

在本发明中，天平受到轴向载荷作用后，测量梁和支撑梁均会发生变形，通过应变计测量轴向力元件测量梁的形变量，就可得到天平所受的轴向载荷。

传统的竖直梁轴向力元件测量梁4与天平轴向力元件前框体2的夹角为90°，而本发明提出的轴向力元件测量梁夹角α，不等于90°。相比于传统竖直梁轴向力结构，本发明提出的结构能保证在轴向力灵敏度基本不变的情况下，法向载荷对轴向力干扰最小。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (2)

1.一种杆式天平竖直梁式轴向力元件结构的优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、根据给定的天平各分量载荷，给出天平竖直梁轴向力元件的结构，并确定测量梁和支撑梁的数量、高度、宽度和厚度，以及测量梁与支撑梁的间距，其中测量梁与轴向力元件本体的夹角α为90°；

步骤二、选定天平材料，对天平竖直梁轴向力元件结构进行有限元仿真，依次施加轴向力、法向力、俯仰力矩、侧向力、偏航力矩、滚转力矩载荷，得到该轴向力元件测量梁的应变分布情况；

步骤三、调整夹角α，使α在80~100°，对调整后的天平竖直梁轴向力元件结构进行有限元仿真，依次施加轴向力、法向力、俯仰力矩、侧向力、偏航力矩、滚转力矩载荷，得到调整后天平轴向力元件测量梁在不同载荷作用下的应变分布情况；

步骤四、建立不同夹角α的轴向力元件在法向载荷作用下的应变输出U_YX与夹角的关系曲线，通过线性拟合，得到夹角α与U_YX的函数关系，通过拟合的函数得到U_YX为零时的最优夹角α，此夹角α即为天平设计时轴向力元件受法向载荷干扰最小时的测量梁最优偏角；

步骤五、采用最优夹角α设计轴向力元件，对最优结构进行仿真，得到法向载荷对轴向输出的干扰。

2.如权利要求1所述的杆式天平竖直梁式轴向力元件结构的优化设计方法，其特征在于，所述天平竖直梁轴向力元件的结构包括：

通过测量梁和多根支撑梁连接的轴向力元件后框体和轴向力元件前框体；所述轴向力元件后框体和轴向力元件前框体之间设置有斜槽；

其中，所述测量梁位于轴向力元件后框体和轴向力元件前框体之间的中部；所述多根支撑梁分别位于轴向力元件后框体和轴向力元件前框体之间的两端。

Images