CN112729757A - 一种片式铰链力矩天平连接端设计优劣的评估优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种片式铰链力矩天平连接端设计优劣的评估优化方法，采用接触应力与设计应变相关联的方法评估天平的连接端设计优劣进而进行优化设计。该方法填补了片式铰链力矩天平连接端设计评估的空白，适用性和实用性较强，具有较好的发展前景。
Description
技术领域
本发明属于航空航天气动力实验测量设备技术领域，尤其涉及一种片式铰链力矩天平连接端设计优劣的评估优化方法。
背景技术
风洞天平用于风洞试验中测量作用在飞行器模型上的气动力载荷。按工作原理可以分为机械天平、应变天平压电天平及磁悬浮天平等。目前常用的是应变天平，采用应变电测原理，天平敏感元件的设计在实现气动载荷的正交分解的同时在气动载荷下敏感元件产生相应的变形。通过在敏感元件上粘贴感受变形应变的应变片，组成电桥来实现气动载荷的测量。
片式铰链力矩天平是应变天平的一种，主要用于测量飞行器模型舵面的铰链力矩气动载荷。由于模型空间限制片式铰链力矩天平的元件部分及连接端部分均为片状结构，片状结构的连接端在连接模型主体或舵面时，连接面处会产生接触变形及接触应力，此接触应力会对天平的测量产生影响。传统片式铰链力矩天平的设计，没有对此影响量的量化评估方法，导致天平的连接端的设计比较盲目，设计质量无法控制，设计出的天平的测量准度经常超过标准要求。
发明内容
发明目的
本发明正是针对现有片式铰链力矩设计方法只考虑天平元件部分设计而未考虑天平连接端设计的不足，而提出的一种片式铰链力矩天平连接端设计优劣的评估优化方法，满足片式铰链力矩天平设计需求。
发明技术解决方案
一种片式铰链力矩天平连接端设计优劣的评估优化方法，该方法中的评估过程包括如下步骤：
步骤(1)：设定优化目标，根据测量精准度设定，以百分比形式给出；
步骤(2)：计算片式铰链天平设计应变，应变指标需达到相应天平设计规范指标要求；
步骤(3)：计算片式铰链力矩天平连接端的接触应力；
步骤(4)：计算片式铰链力矩天平连接端的接触应力与片式铰链力矩天平设计应变比值，再除以材料的弹性模量E；
步骤(5)：比较步骤(4)计算结果与步骤(1)给定的目标百分比，小于设定目标，优化结束，大于设定目标进行步骤(6)工作；
步骤(6)：优化片式铰链力矩天平的连接端结构尺寸，重复步骤(3)～(5)的操作。
优选的，步骤(2)中采用经验公式或有限元法计算片式铰链天平设计应变。
优选的，步骤(3)中采用经验公式或有限元法计算片式铰链力矩天平连接端的接触应力。
优选的，当仅进行天平的连接端设计优劣评估时，采用步骤(2)～(4)的过程。
优选的，步骤(3)中接触应力计算位置为应变片粘贴位置的中心。
优选的，步骤(3)中接触应力的方向与测量分量的应变测量方向一致。
优选的，该方法应用的结构为：天平连接端与被连接体连接成整体，测量应变片粘贴在天平表面。
优选的，天平连接端与被连接体通过连接螺钉连接。
本发明的优点：该评估优化方法科学、合理、富有创意，填补了片式铰链力矩天平连接端设计评估的空白，适用性和实用性较强，具有较好的发展前景。
附图说明
图1为本发明的一种片式铰链力矩天平连接端设计优劣的评估优化方法的流程图。
图2为本发明的一种片式铰链力矩天平连接端设计优劣的评估优化方法应用的结构示意图。
图中：1测量应变片、2天平连接端、3连接螺钉、4被连接体。
具体实施方式
本发明是通过如下技术方案予以实现的。
如图1，一种片式铰链力矩天平连接端设计优劣的评估优化方法，包括如下步骤：步骤一：设定优化目标，根据测量精准度设定，以百分比形式给出；
步骤二：经验公式或有限元法计算片式铰链天平设计应变，应变指标需达到相应天平设计规范指标要求；
步骤三：经验公式或有限元法计算片式铰链力矩天平连接端的接触应力，接触应力计算位置为应变片粘贴位置的中心；
步骤四：计算片式铰链力矩天平连接端接触应力与片式铰链力矩天平设计应变比值，再除以材料的弹性模量，即公式
步骤五：比较步骤四计算结果与步骤一给定的目标百分比，小于设定目标，优化结束，大于设定目标进行步骤六工作；
步骤六：优化片式铰链力矩天平的连接端结构尺寸，重复步骤三、步骤四、步骤五的操作。
也可仅采用步骤二～步骤四进行评估过程。
如图2，该方法应用的结构如下：包括测量应变片1、天平连接端2、连接螺钉3、被连接体4；上述测量应变片粘贴在天平表面，上述天平连接端2与被连接体4通过连接螺钉连接成整体。
该方法的原理：片式铰链力矩天平在设计时的计算仅包括以下两个方面，对天平元件的设计应变及设计强度进行计算，对天平连接端进行强度计算。但天平连接的接触应力会影响到天平的测量准度，由于设计中未对其进行计算，带来连接端设计的盲目性问题，设计出的产品由于接触应力的影响而导致测量误差超标的问题。若能将天平连接端接触应力的影响关联到天平准度误差之中，就会有效评估天平连接端设计的好坏，提高设计质量及产品的研制成功率。对于片式铰链力矩而言其设计应变是反映准度的直接相关量，应变片需要测量的应变既是设计应变，而接触应力的影响也直接作用到该测量的应变片上，接触应力的最终影响也为应变的影响。将接触应力转化为当量的应变量比上天平的设计应变，即可评估出影响量与需要测量量的占比，即天平由于接触应力影响而产生的测量误差。
实施例一
采用该方法对片式铰链力矩天平连接端设计优劣的评估过程如下：
(a)有限元法计算片式铰链天平设计应变150με，应变计算位置为应变片粘贴位置的中心；
(c)有限元法计算片式铰链力矩天平连接端的接触应力1MPa，接触应力计算位置为应变片粘贴位置的中心；
(d)计算片式铰链力矩天平连接端接触应力与片式铰链力矩天平设计应变比值，再除以材料的弹性模量，本次优化片式铰链力矩天平选用材料的弹性模量为187.25GPa，计算结果为3.5％；
(e)评估结论接触应力影响的测量误差为3.5％。
实施例二
采用该方法对片式铰链力矩天平连接端设计优劣的评估和优化的过程如下：
(a)设定优化目标，根据测量精准度选择为1％；
(b)有限元法计算片式铰链天平设计应变150με，应变计算位置为应变片粘贴位置的中心；
(c)有限元法计算片式铰链力矩天平连接端的接触应力1MPa，接触应力计算位置为应变片粘贴位置的中心；
(d)计算片式铰链力矩天平连接端接触应力与片式铰链力矩天平设计应变比值，再除以材料的弹性模量，本次优化片式铰链力矩天平选用材料的弹性模量为187.25GPa，计算结果为3.5％；
(e)比较计算结果，3.5％大于设定目标1％，调整片式铰链力矩天平的固定端尺寸。
(f)有限元法计算调整固定端尺寸后的片式铰链力矩天平连接端的接触应力0.5MPa；
(g)计算片式铰链力矩天平连接端接触应力与片式铰链力矩天平设计应变比值，再除以材料的弹性模量，计算结果为1.7％；
(h)比较计算结果，1.7％大于设定目标1％，继续调整片式铰链力矩天平的固定端尺寸。
(i)有限元法计算再次调整固定端尺寸后的片式铰链力矩天平连接端的接触应力0.2MPa；
(j)计算片式铰链力矩天平连接端接触应力与片式铰链力矩天平设计应变比值，再除以材料的弹性模量，计算结果为0.7％；
(k)比较计算结果，0.7％小于设定目标1％，优化结束。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的是让熟悉该技术领域的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此来限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神本质所作出的等同变换或修饰，都应涵盖本发明的保护范围内。本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。
Claims (8)
1.一种片式铰链力矩天平连接端设计优劣的评估优化方法，其特征在于，该方法中的评估过程包括如下步骤：
步骤(1)：设定优化目标，根据测量精准度设定，以百分比形式给出；
步骤(2)：计算片式铰链天平设计应变，应变指标需达到相应天平设计规范指标要求；
步骤(3)：计算片式铰链力矩天平连接端的接触应力；
步骤(4)：计算片式铰链力矩天平连接端的接触应力与片式铰链力矩天平设计应变比值，再除以材料的弹性模量E；
步骤(5)：比较步骤(4)计算结果与步骤(1)给定的目标百分比，小于设定目标，优化结束，大于设定目标进行步骤(6)工作；
步骤(6)：优化片式铰链力矩天平的连接端结构尺寸，重复步骤(3)～(5)的操作。
2.如权利要求1所述的一种片式铰链力矩天平连接端设计优劣的评估优化方法，其特征在于，步骤(2)中采用经验公式或有限元法计算片式铰链天平设计应变。
3.如权利要求1所述的一种片式铰链力矩天平连接端设计优劣的评估优化方法，其特征在于，步骤(3)中采用经验公式或有限元法计算片式铰链力矩天平连接端的接触应力。
4.如权利要求1所述的一种片式铰链力矩天平连接端设计优劣的评估优化方法，其特征在于，当仅进行天平的连接端设计优劣评估时，采用步骤(2)～(4)的过程。
5.如权利要求1所述的一种片式铰链力矩天平连接端设计优劣的评估优化方法，其特征在于，步骤(3)中接触应力计算位置为应变片粘贴位置的中心。
6.如权利要求1所述的一种片式铰链力矩天平连接端设计优劣的评估优化方法，其特征在于，步骤(3)中接触应力的方向与测量分量的应变测量方向一致。
7.如权利要求1～5任一所述的一种片式铰链力矩天平连接端设计优劣的评估优化方法，其特征在于，该方法应用的结构为：天平连接端(2)与被连接体(4)连接成整体，测量应变片粘贴在天平表面。
8.如权利要求7所述的一种片式铰链力矩天平连接端设计优劣的评估优化方法，其特征在于，天平连接端(2)与被连接体(4)通过连接螺钉连接。
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