鄧長(zhǎng)華,王 珺,吳 丹,袁軍社

(液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710100)

0 引言

液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)架[1-3]是連接發(fā)動(dòng)機(jī)與箭體的關(guān)鍵傳力結(jié)構(gòu),是典型的承載結(jié)構(gòu)件,機(jī)架的強(qiáng)度、剛度在通過(guò)強(qiáng)度設(shè)計(jì)、計(jì)算后,必須經(jīng)過(guò)靜力試驗(yàn)[4-5]來(lái)考核和驗(yàn)證,或者批產(chǎn)后,通過(guò)靜力試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)材料、生產(chǎn)過(guò)程和工藝方法是否滿足設(shè)計(jì)要求,產(chǎn)品是否滿足投入使用的條件。在機(jī)架靜力試驗(yàn)中,通常在結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置布置位移傳感器來(lái)測(cè)量加載過(guò)程中機(jī)架的變形,變形過(guò)大則機(jī)架的剛度可能不滿足要求。試驗(yàn)時(shí)同時(shí)還需要在夾具多個(gè)部位布置位移傳感器,以監(jiān)測(cè)夾具變形,一方面預(yù)防因夾具安裝不牢或是剛度不夠?qū)е略囼?yàn)失敗,另一方面為獲取機(jī)架本身凈位移做準(zhǔn)備。當(dāng)對(duì)試驗(yàn)所測(cè)的位移數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí),一般通過(guò)逐點(diǎn)查看數(shù)據(jù),并在測(cè)點(diǎn)圖中查找相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的位置,以判斷試驗(yàn)數(shù)據(jù)是否正常,試驗(yàn)過(guò)程是否正常[6-8]。由于試驗(yàn)中位移傳感器較多,無(wú)法直觀、快速查找到可能存在的異常測(cè)點(diǎn)[9],同時(shí)由于無(wú)法可視化使得分析機(jī)架整體變形存在一定的困難。

為了直觀地分析機(jī)架在靜力試驗(yàn)中的整體變形過(guò)程,以快速確定試驗(yàn)數(shù)據(jù)及試驗(yàn)過(guò)程是否有效,本文提出一種靜力試驗(yàn)結(jié)構(gòu)空間變形分析方法,利用結(jié)構(gòu)的幾何位置及測(cè)點(diǎn)的位移信息,通過(guò)空間坐標(biāo)重構(gòu)[10-12]連續(xù)再現(xiàn)結(jié)構(gòu)在加載過(guò)程中的三維變形過(guò)程,形成三維變形動(dòng)畫,為了推廣和使用該方法,基于Matlab軟件平臺(tái)開發(fā)了機(jī)架靜力試驗(yàn)空間變形分析軟件。

1 空間變形分析原理

機(jī)架在靜力試驗(yàn)中通常在關(guān)鍵位置布置多個(gè)位移測(cè)點(diǎn),以測(cè)量加載過(guò)程中關(guān)鍵點(diǎn)的位移,布置位移傳感器的測(cè)點(diǎn)可視作一個(gè)節(jié)點(diǎn),定義節(jié)點(diǎn)在直角坐標(biāo)系下的幾何坐標(biāo)為X0，Y0，Z0,某一加載級(jí)i下所測(cè)的測(cè)點(diǎn)位移值分別為Dxi，Dyi，Dzi,則在該加載級(jí)下節(jié)點(diǎn)的位移坐標(biāo)Xi，Yi，Zi可以根據(jù)下式進(jìn)行重構(gòu)

(1)

式中k為變形縮放因子,用于對(duì)實(shí)際位移值進(jìn)行縮放,以便于觀察變形。當(dāng)k=1時(shí),Xi，Yi，Zi為當(dāng)前加載級(jí)下結(jié)構(gòu)的實(shí)際位移坐標(biāo)。為便于觀測(cè),k值通常大于1,此時(shí)Xi，Yi，Zi定義為當(dāng)前加載級(jí)下結(jié)構(gòu)的觀測(cè)位移坐標(biāo)。根據(jù)節(jié)點(diǎn)觀測(cè)位移坐標(biāo)值重新繪制幾何圖形,可以獲得當(dāng)前加載級(jí)下的結(jié)構(gòu)變形圖。

靜力試驗(yàn)中,有時(shí)采用柱坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布局,這時(shí)需要對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)變換,將柱坐標(biāo)系下的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)變換到直角坐標(biāo)系下,變換算法如下

(2)

式中R0和θ0分別為柱坐標(biāo)系下節(jié)點(diǎn)半徑和角度。相應(yīng)的需要對(duì)所測(cè)的位移值進(jìn)行變換,變換公式如下

(3)

式中Ri和Zi分別為加載級(jí)i下所測(cè)的節(jié)點(diǎn)徑向和軸向位移。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 界面設(shè)計(jì)

為便于直觀、方便快捷地分析機(jī)架在靜力試驗(yàn)過(guò)程中的空間變形過(guò)程,基于空間變形分析原理,開發(fā)了靜力試驗(yàn)空間變形分析軟件。

在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí),利用Matlab軟件平臺(tái)進(jìn)行圖形界面設(shè)計(jì)[13-15]和算法編程,并最終編譯成可脫離Matlab軟件獨(dú)立運(yùn)行的可執(zhí)行程序。靜力試驗(yàn)空間變形分析軟件包含3個(gè)界面：主界面、幾何建模界面和坐標(biāo)變換界面,分別如圖1～圖3所示,其中幾何建模界面和坐標(biāo)變換界面通過(guò)主界面菜單調(diào)用。

空間變形分析軟件主界面如圖1所示,主要提供文件輸入、輸出及結(jié)構(gòu)變形顯示等功能。軟件由文件輸入?yún)^(qū)、變形圖區(qū)和工況區(qū)組成。根據(jù)用戶使用習(xí)慣,界面左側(cè)設(shè)置文件輸入?yún)^(qū),包含幾何文件和工況文件輸入,并顯示工況文件、節(jié)點(diǎn)和幾何關(guān)系;界面中部為變形圖區(qū),設(shè)置結(jié)構(gòu)變形繪圖窗口,變形繪圖窗口提供幾何預(yù)覽以及變形顯示功能,變形圖右側(cè)設(shè)置圖形控制按鈕;界面底部為工況區(qū),用戶可以直接在該區(qū)對(duì)加載級(jí)進(jìn)行預(yù)覽,拖動(dòng)光標(biāo),可以按載荷步同步顯示結(jié)構(gòu)變形。

圖1 軟件主界面Fig.1 Main interface of the software

幾何建模界面如圖2所示。幾何模型為線框模型,界面左側(cè)為幾何模型顯示和圖形控制按鈕區(qū),界面右側(cè)為幾何節(jié)點(diǎn)和線段建立、編輯區(qū)。

圖2 幾何建模界面Fig.2 Interface of geometric modeling

坐標(biāo)變換界面如圖3所示。該子模塊應(yīng)用于位移傳感器按柱坐標(biāo)系而非直角坐標(biāo)系布置時(shí)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。界面左側(cè)為幾何模型輸入和測(cè)點(diǎn)顯示區(qū);界面中間為柱坐標(biāo)系下的測(cè)點(diǎn)位移數(shù)據(jù)輸入和測(cè)點(diǎn)顯示區(qū);界面右側(cè)為設(shè)置及轉(zhuǎn)換區(qū)。

圖3 坐標(biāo)變換界面Fig.3 Interface of coordinate transformation

2.2 功能設(shè)計(jì)

軟件主要包括幾何建模、工況構(gòu)建和結(jié)構(gòu)變形顯示等3個(gè)功能模塊。

幾何建模提供了兩種方法,第一種為采用圖2所示的交互式界面建立,第二種為直接建立圖4格式的表格文件。幾何建模采用點(diǎn)、線方式來(lái)創(chuàng)建結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)線框模型。幾何模型保存格式為*.xls表格文件。

圖4 幾何模型表文件Fig.4 Table of geometric model

工況構(gòu)建提供工況文件的生成功能,該文件為*.xls表格文件,包括“Sheet1”和“Sheet2”2個(gè)表格,其中“Sheet1”為加載級(jí),如圖5所示;“Sheet2”為該工況下測(cè)點(diǎn)的位移信號(hào),如圖6所示。

圖5 加載級(jí)表格文件Fig.5 Table of loading levels

圖6 位移測(cè)量數(shù)據(jù)表格文件Fig.6 Table of displacement measurement data

由于結(jié)構(gòu)變形分析在直角坐標(biāo)系下進(jìn)行,因此位移信號(hào)也必須是直角坐標(biāo)系下的信號(hào)。針對(duì)位移傳感器在柱坐標(biāo)系下布置的情況,設(shè)計(jì)了坐標(biāo)變換模塊(圖3),利用該模塊可自動(dòng)將柱坐標(biāo)系下的位移信號(hào)轉(zhuǎn)換到直角坐標(biāo)系下。在該模塊中,每個(gè)幾何測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)2個(gè)柱坐標(biāo)系下的測(cè)點(diǎn),其中R為徑向位移、Z為軸向位移,θ為徑向位移傳感器與直角坐標(biāo)系的X軸夾角(取值范圍為0～90°)。針對(duì)不同工況,只要位移傳感器不變,可以保存某一個(gè)工況的設(shè)置文件,其他工況可以直接調(diào)用該設(shè)置文件,以避免重復(fù)操作,該設(shè)置文件形式如圖7所示。

圖7 坐標(biāo)變換設(shè)置文件格式Fig.7 File format settings of coordinate transformation

3 應(yīng)用示例

某發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)架靜力試驗(yàn)包含3個(gè)工況：0度、+6°和-6°工況,每個(gè)工況有3個(gè)載荷,加載級(jí)為0～12,其中0級(jí)和12級(jí)為零位。試驗(yàn)設(shè)置14個(gè)位移測(cè)點(diǎn),按柱坐標(biāo)系布置28個(gè)位移傳感器。

在機(jī)架變形分析時(shí),首先建立機(jī)架幾何模型,幾何模型由14個(gè)節(jié)點(diǎn)和20條線段構(gòu)成;然后分別將3個(gè)工況下所測(cè)的位移信號(hào)轉(zhuǎn)換到直角坐標(biāo)系下;最后將幾何模型和3個(gè)工況文件導(dǎo)入到軟件中,通過(guò)下拉列表選擇相應(yīng)的工況,拖動(dòng)鼠標(biāo)可同步顯示機(jī)架的變形過(guò)程,如圖8所示。

圖8 機(jī)架變形顯示Fig.8 Deformation display of the frame

將文件保存,其中保存的文件包括3個(gè)*.doc格式的文檔文件和3個(gè)*.avi格式的視頻文件,分別對(duì)應(yīng)3個(gè)工況。文檔文件為3個(gè)不同工況下每一加載級(jí)下的機(jī)架變形靜態(tài)圖,視頻文件為3個(gè)不同工況下的變形動(dòng)畫。

圖9為-6°工況下第7加載級(jí)時(shí)的機(jī)架變形靜態(tài)圖,圖中除了顯示當(dāng)前加載級(jí)下機(jī)架整體變形外,同時(shí)給出了當(dāng)前最大位移的測(cè)點(diǎn)代號(hào)、測(cè)點(diǎn)方向及位移值,并且以綠色加亮方塊顯示當(dāng)前最大位移的測(cè)點(diǎn)位置。

圖9 變形顯示文檔文件示例Fig.9 Example of deformation display document

圖10為-6°工況機(jī)架變形過(guò)程的動(dòng)畫文件截圖,動(dòng)畫文件按加載級(jí)順序動(dòng)態(tài)顯示機(jī)架的整體三維變形過(guò)程,同時(shí)顯示當(dāng)前加載級(jí)最大位移的測(cè)點(diǎn)位置、測(cè)點(diǎn)代號(hào)、測(cè)點(diǎn)方向及位移值。

圖10 變形顯示視頻文件示例Fig.10 Example of deformation display video

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)機(jī)架在靜力試驗(yàn)中無(wú)法直觀顯示整體變形的情況,提出了靜力試驗(yàn)結(jié)構(gòu)空間變形分析方法,從原理、軟件設(shè)計(jì)及應(yīng)用示例等方面進(jìn)行了論述。結(jié)果表明：靜力試驗(yàn)空間變形分析軟件以*.xls表格作為輸入文件,操作方便,且輸出為*.doc文檔文件和*.avi視頻文件,文檔文件可以方便地插入到試驗(yàn)分析報(bào)告中,視頻文件可以逐級(jí)查看結(jié)構(gòu)的三維變形過(guò)程,為試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)直觀分析結(jié)構(gòu)整體變形、快速查找位移測(cè)量異常點(diǎn)提供了一種快捷方法。