楊中艷,郭少杰,劉 丹,鄭 芳,孫 侃

(中國航天空氣動力技術(shù)研究院第二研究所, 北京 100074)

0 引言

根據(jù)工程要求，需研制一臺可放入超燃沖壓發(fā)動機(jī)被試段腔內(nèi)并能實(shí)時測量發(fā)動機(jī)被試段所受的六分量力和力矩的測力天平。該天平應(yīng)具有下列功能:

1)在冷態(tài)、熱態(tài)兩種情況下,直接測量作用在模型(發(fā)動機(jī)被試段)上的力和力矩。

2)天平中設(shè)置保護(hù)裝置,防止啟動或停車時的氣動沖擊力損壞天平。

3)天平設(shè)計(jì)時要考慮其所在的高壓艙負(fù)壓及溫度環(huán)境。

由于腔內(nèi)空間尺寸狹小,天平的尺寸受限,各分量載荷較難匹配,這進(jìn)一步增加了該天平的研制難度。

該天平在結(jié)構(gòu)上采用了盒式應(yīng)變天平的形式,具有剛性大、干擾小和良好的機(jī)械性能等特點(diǎn)[1-2]。通過精細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、遺傳算法優(yōu)化及有限元分析,解決了天平空間尺寸小和各分量載荷難匹配的問題,有效降低了天平各分量之間的干擾,提高了天平的測量精準(zhǔn)度。

1 技術(shù)要求

1)天平設(shè)計(jì)載荷(見表1)。

表1 天平設(shè)計(jì)載荷

2)天平最大外形尺寸: 1 000 mm(長)×200 mm(寬)×150 mm(高)。

3)天平精度要求

天平靜態(tài)校準(zhǔn)綜合加載重復(fù)性優(yōu)于0.1%FS,綜合加載誤差優(yōu)于0.2% FS。

4)天平保護(hù)要求

天平結(jié)構(gòu)應(yīng)具有鎖緊功能,在試驗(yàn)前和非測力試驗(yàn)時,將天平動定架緊固連接,防止由于外界原因損壞天平。

5)天平環(huán)境

天平在真空度100 Pa、使用溫度范圍15～80 ℃的測力環(huán)境下,防護(hù)等級不低于IP64。天平非測力環(huán)境溫度在200 ℃左右。

2 天平研制

測力裝置由天平、上下轉(zhuǎn)接板、保護(hù)裝置組成,如圖1所示。

圖1 測力裝置結(jié)構(gòu)圖

天平用于直接測量發(fā)動機(jī)被試段所受的六分量力和力矩,上下轉(zhuǎn)接板分別用于與發(fā)動機(jī)被試段支撐架和底座連接,保護(hù)裝置用于防止流場建立時的氣動沖擊力或不可預(yù)知的力損壞天平。

2.1 天平結(jié)構(gòu)

天平結(jié)構(gòu)如圖2所示,為保證天平使用性能,提高天平整體剛度,該天平為整體式結(jié)構(gòu),主要由浮動框與固定框和彈性連桿組成。

圖2 天平結(jié)構(gòu)示意圖

在固定框上設(shè)置8個矩形截面懸臂梁式測量元件,為了保證天平的加工精度與天平貼片方便,需要將全部的測量元件布置在天平的四周。通過在測量元件上粘貼應(yīng)變片檢測受力變形從而測出力或力矩。法向設(shè)置4個測量元件,測量法向力Fy、俯仰力矩Mz與滾轉(zhuǎn)力矩Mx;橫向設(shè)置兩個測量元件,測量橫向力Fz與偏航力矩My;軸向設(shè)置兩個測量元件,測量軸向力Fx。

兩個框體之間用8個與測量元件相對應(yīng)的雙圓弧彈性連桿連接。彈性連桿所提供的橫向自由度排除了其他兩個方向上力的作用,因此,只能傳遞連桿軸向的拉力或壓力,保證懸臂梁只受到欲測量分量的載荷作用,實(shí)現(xiàn)力與力矩的機(jī)械分解。另外再通過應(yīng)變片的粘貼位置與全橋測量電路的設(shè)置,使其他分量的載荷所產(chǎn)生的應(yīng)變不改變電橋的平衡狀態(tài),實(shí)現(xiàn)力與力矩的電氣分解[1,3]。

2.2 天平設(shè)計(jì)計(jì)算

在理論計(jì)算和初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,利用有限元方法對天平進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算[4-5]。天平材料選用沉淀硬化不銹鋼0Cr17Ni4Cu4Nb(俗稱17-4PH),其彈性模量E=2.07×1011Pa,泊松比μ=0.3,屈服極限σs=1.176×109Pa[6]。

在分析中采用四面體二次單元C3D10對計(jì)算域進(jìn)行離散,天平測量元件和柔性鉸鏈區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行局部加密,網(wǎng)格單元數(shù)約為26萬,如圖3所示。有限元計(jì)算采用單分量載荷施加,加載中心位于天平元件中心[7-8]。由于篇幅受限,只給出了軸向力作用下天平應(yīng)變和變形的計(jì)算結(jié)果,如圖4、圖5所示。

圖3 天平有限元網(wǎng)格

圖4 軸向力作用下天平應(yīng)變的計(jì)算結(jié)果

圖5 軸向力作用下天平變形的計(jì)算結(jié)果

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果,得到該天平在貼片位置(距測量元件根部約1.5 mm處)的平均應(yīng)變值,表2給出了在設(shè)計(jì)載荷時各分量貼片位置應(yīng)變值結(jié)果。表3給出了有限元計(jì)算的各分量測量元件上的最大節(jié)點(diǎn)位移。從表3可以看出,天平變形滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 各分量作用下測量元件應(yīng)變值輸出統(tǒng)計(jì)

表3 各分量作用下測量元件最大節(jié)點(diǎn)位移計(jì)算結(jié)果

2.3 天平優(yōu)化設(shè)計(jì)

天平優(yōu)化設(shè)計(jì)主要是指天平測量元件幾何尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì),具體擬采用遺傳優(yōu)化算法對盒式天平的測量元件進(jìn)行多約束下的單目標(biāo)和多目標(biāo)優(yōu)化,已在我實(shí)驗(yàn)室得到成功應(yīng)用[9-10]。

設(shè)計(jì)中,將單目標(biāo)或多目標(biāo)函數(shù)取倒數(shù)作為適應(yīng)度函數(shù)。根據(jù)算例和經(jīng)驗(yàn)設(shè)置種群規(guī)模為60,交叉概率0.9,變異概率0.005,最大進(jìn)化代數(shù)取25代。

優(yōu)化算法流程如圖6所示。

圖6 遺傳算法流程圖

天平優(yōu)化的變量和約束條件選擇如下:

1)設(shè)計(jì)變量為[b1,h1,l1,b2,h2,l2,b3,h3,l3]T=[xi]T，i=1,2,…,9。其中b、h、l為矩形截面測量元件的寬度、高度和長度,下腳標(biāo)1、2、3分別表示法向、軸向和橫向。

2)性能約束

強(qiáng)度約束為: 6Fmaxl-[σ]·bh2≤0,其中[σ]為材料許用應(yīng)力,Fmax表示對應(yīng)的作用力。

3)邊界條件

根據(jù)天平邊界尺寸及加工工藝的要求,幾何約束條件如下:

4)適應(yīng)度函數(shù)

a)單目標(biāo)優(yōu)化

主要考慮天平的輸出應(yīng)變是否滿足靈敏度要求,適應(yīng)度函數(shù)設(shè)為:

(1)

式中:[εj]為設(shè)計(jì)應(yīng)變,j為天平的分量數(shù)。

b)多目標(biāo)優(yōu)化

在關(guān)注天平輸出應(yīng)變的基礎(chǔ)上,同時考慮影響天平線性的剛度因素,將適應(yīng)度函數(shù)設(shè)為加權(quán)形式:

(2)

式中:0.4，0.6為權(quán)系數(shù);f2與單目標(biāo)的f定義相同;

(3)

式中:LMx、LMy、LMz分別為天平軸向、橫向和法向彈性連桿軸線間距;A、B值由軸向力測量元件和橫向力測量元件分配My得的力矩決定。

將優(yōu)化結(jié)果再進(jìn)行有限元計(jì)算,通過比較和驗(yàn)證,得出最佳的設(shè)計(jì)結(jié)果如下:

法向設(shè)置測量元件的b1=28 mm,h1=13 mm,l1=34 mm;

軸向設(shè)置測量元件的b2=28 mm,h2=12 mm,l2=31 mm;

橫向設(shè)置測量元件的b3=24 mm,h3=20 mm,l3=34 mm。

2.4 天平強(qiáng)度校核

對天平實(shí)施有限元模擬校準(zhǔn)綜合加載,圖7給出了綜合載荷作用下天平的Mises應(yīng)力云圖,天平的最大應(yīng)力約為227 N/mm2,天平材料的最大許用應(yīng)力為1 313 N/mm2,安全系數(shù)約5.8,滿足試驗(yàn)的強(qiáng)度要求。

圖7 綜合載荷Mises應(yīng)力云圖

2.5 過載保護(hù)裝置

過載保護(hù)裝置用于防止流場建立時的氣動沖擊力或不可預(yù)知的力損壞天平[11-12]。

法向保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)如圖8所示,螺桿與下轉(zhuǎn)接板固連,通過校準(zhǔn)時實(shí)測天平滿量程最大變形,調(diào)整螺母與上轉(zhuǎn)接板間隙,如試驗(yàn)中有超出天平量程1.5倍的力時,上轉(zhuǎn)接板與螺母接觸將力傳遞到底座,從而保證不損壞天平。螺桿共設(shè)置4組,置于天平四周。

圖8 法向保護(hù)裝置

橫向保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)如圖9所示,z向保護(hù)板與上轉(zhuǎn)接板固連,通過校準(zhǔn)時實(shí)測天平滿量程最大變形,調(diào)整鎖緊螺栓與天平固定框間隙,如試驗(yàn)中有超出天平量程1.5倍的力時,天平固定框與鎖緊螺栓接觸將力傳遞到底座,從而保證不損壞天平。鎖緊螺栓共設(shè)置兩組,對稱置于天平橫向兩側(cè)。軸向保護(hù)裝置與橫向保護(hù)裝置類似。

圖9 橫向保護(hù)裝置

2.6 天平隔熱和防潮保護(hù)

因?yàn)樘炱降姆菧y力環(huán)境溫度在200 ℃左右,天平的熱防護(hù)采用在測力裝置四周加隔熱板的方式,隔熱板為發(fā)動機(jī)被試段外蒙皮。

天平的應(yīng)變片進(jìn)行防潮處理,應(yīng)變片表面及引出線根部用防潮膠固定,并按防潮膠的固化工藝進(jìn)行固化處理。

3 天平靜態(tài)校準(zhǔn)

天平加工完成后,在實(shí)驗(yàn)室完成了靜態(tài)校準(zhǔn),靜態(tài)校準(zhǔn)圖如圖10所示。

圖10 天平靜態(tài)校準(zhǔn)圖

校準(zhǔn)結(jié)果見表4和表5[13]，從表中靜校結(jié)果來看,天平精準(zhǔn)度已達(dá)到或超過設(shè)計(jì)指標(biāo),能夠滿足試驗(yàn)要求。

表4 天平靜校結(jié)果(1)

表5 天平靜校結(jié)果(2)

4 風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果

天平校準(zhǔn)完成后,在試驗(yàn)單位分別完成了兩次小量程和一次大量程的超燃沖壓發(fā)動機(jī)力和力矩直接測量試驗(yàn),表明天平各項(xiàng)性能良好。

5 結(jié)論

文中研制的測力天平解決了空間尺寸小和各分量載荷不匹配的問題,有效降低了天平各分量之間的干擾,提高了天平的測量精準(zhǔn)度。另外,還設(shè)計(jì)了天平的過載保護(hù)裝置和天平的隔熱和防潮保護(hù)裝置。靜校結(jié)果表明該天平滿足設(shè)計(jì)指標(biāo),試驗(yàn)結(jié)果表明該天平各項(xiàng)性能良好。