邵天城，郭瑞鵬，李前奇，趙敏，姚敏

(南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 211106)

0 引言

翼傘飛行方向及下降速度具有可操作性，廣泛應(yīng)用在民用和軍用的降落傘空投領(lǐng)域中。翼傘降落的各個(gè)階段，翼傘的形狀、組件之間的位置會(huì)發(fā)生劇烈的變化，承載傳力作用的組提帶張力也會(huì)出現(xiàn)大范圍的實(shí)時(shí)變化。掌握翼傘降落過程中張力的變化對(duì)翼傘飛行的安全性以及著陸地點(diǎn)的精確性都至關(guān)重要[1]。

隨著CAD技術(shù)的發(fā)展，可以通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)并分析結(jié)構(gòu)特性，在提高設(shè)計(jì)效率的同時(shí)可減少設(shè)計(jì)成本。本文使用SolidWorks進(jìn)行傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，再導(dǎo)入ANSYS Workbench18.0對(duì)裝配體進(jìn)行靜力學(xué)分析和模態(tài)分析，驗(yàn)證傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

1 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前市場(chǎng)上用于組提帶張力測(cè)量的傳感器屈指可數(shù)，例如美國(guó) MEAS的EL20-S458和日本KYOWA安全拉力傳感器LBT-A-20KNSA1。但這些產(chǎn)品的量程不滿足翼傘的最大張力，其次這些產(chǎn)品不適用組提帶的寬度，再次就是這些產(chǎn)品是以有線的形式對(duì)組提帶張力數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，有線的形式可能會(huì)干擾到翼傘的開傘，造成危險(xiǎn)。本文根據(jù)翼傘組提帶的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種測(cè)量范圍為0～25 000N的無線張力傳感器結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 工型張力傳感器結(jié)構(gòu)

張力傳感器由采集電路PCB板和傳感器體兩個(gè)部分組成。兩個(gè)部分使用螺絲連接，在連接處加上彈簧防止傳感器與PCB板硬接觸造成PCB板損壞。采集電路PCB板上裝有藍(lán)牙模塊，可將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給傘載系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無線采集功能。彈性體部分非一體化結(jié)構(gòu)，是由工字型主體、插銷式力柱、螺絲三部分組成。采取這種工字型對(duì)稱結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)如下：1)在受到組提帶張力時(shí)，4個(gè)懸臂梁所產(chǎn)生的應(yīng)變是均勻的，可保證傳感器線性度；2)組提帶在空中拉直瞬間將力傳導(dǎo)至傳感器后，力柱會(huì)產(chǎn)生微弱的變形使得組提帶滑動(dòng)。本設(shè)計(jì)的對(duì)稱式結(jié)構(gòu)使得傳感器的中心落在中間力柱的中點(diǎn)處，減少組提帶滑動(dòng)的可能性以提高組提帶和力柱的貼合度，保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。

2 裝配體靜力學(xué)分析

用于傳感器的材料通常應(yīng)能承受較大的沖擊力，這樣不易損壞傳感器設(shè)備。同時(shí)材料應(yīng)有良好的耐疲勞性，可以有效保證傳感器的使用壽命。綜合考慮各種材料參數(shù)對(duì)傳感器測(cè)量的影響，選用40CrNiMo作為傳感器的結(jié)構(gòu)材料[3]。該材料具有高彈性極限和彈性模量，常用在各種大量程力學(xué)傳感器上。材料的泊松比為0.3，彈性模量為210GPa，屈服強(qiáng)度為850MPa。

靜力學(xué)分析最關(guān)鍵的步驟取決于正確的施加載荷與約束，因此需準(zhǔn)確建立力學(xué)結(jié)構(gòu)模型。傳感器的縱切面如圖2所示，組提帶與3根力柱的上表面接觸，當(dāng)組提帶緊繃時(shí)對(duì)3根力柱產(chǎn)生作用時(shí)，使得兩側(cè)的懸臂梁發(fā)生向上的彈性形變。

圖2 傳感器受力模型

可以得到施加在3根力柱上力的具體數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

F1=2Tsinα

(1)

(2)

夾角α影響著整個(gè)傳感器的性能。夾角α越大，施加在力柱上的等效力就越大，傳感器的靈敏度越大；但是若夾角α選得過大，傳感器的量程會(huì)縮小，甚至可能會(huì)發(fā)生傳感器兩側(cè)懸臂梁斷裂的危險(xiǎn)事件。出于對(duì)傳感器的靈敏度、量程、結(jié)構(gòu)大小和安全4個(gè)方面考慮，夾角α選擇6°較為合適。根據(jù)式(1)和式(2)只需得出F1、F2和F3就可以對(duì)傳感器施加載荷。

傳感器測(cè)量是基于彈性體隨著力的大小發(fā)生相對(duì)應(yīng)的線性彈性形變，因此只有在傳感器不發(fā)生塑性形變的范圍內(nèi)，測(cè)量才有效準(zhǔn)確。當(dāng)張力達(dá)到最大時(shí)，在兩側(cè)力柱上施加軸承載荷，中間力柱施加遠(yuǎn)端位移約束后進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到的應(yīng)力分布如圖3和圖4所示。由圖3可看到最大的應(yīng)力集中分布在主力臂的彎折零星紅色部分處，傳感器最大的應(yīng)力為828.93 MPa，小于合金鋼40CrNiMo的最大屈服強(qiáng)度850 MPa，理論上此材料能夠滿足張力測(cè)量范圍。從圖4可見傳感器應(yīng)力較大部分的應(yīng)力為460 MPa，集中分布在主力梁兩側(cè)的綠色區(qū)域。應(yīng)力越大隨之帶來的應(yīng)變也就越大，將應(yīng)變片粘貼在此區(qū)域處最為恰當(dāng)(本刊為黑白印刷，相關(guān)疑問可咨詢作者)。

圖3 彈性體等效應(yīng)力分布圖Ⅰ

圖4 彈性體等效應(yīng)力分布圖Ⅱ

由于所設(shè)計(jì)的傳感器具備對(duì)稱性，只需將應(yīng)變片粘貼在傳感器上半部分，呈“L”字型構(gòu)成一個(gè)全橋工作電橋，應(yīng)變片粘貼位置如圖5所示。

圖5 彈性體應(yīng)變片粘貼位置圖

采用全橋電路有兩種優(yōu)勢(shì)，一是可以消除應(yīng)變片敏感柵圓角部分引發(fā)的橫向效應(yīng)誤差；二是因?yàn)閺埩鞲衅魉诘暮０胃叨葧?huì)隨著翼傘而發(fā)生改變，相應(yīng)的溫度引發(fā)額外電阻變化從理論上分析與彈性體應(yīng)變改變阻值的變化幾乎在同一數(shù)量級(jí)上，所以這種垂直貼法可以很好地對(duì)溫度進(jìn)行補(bǔ)償，提高傳感器的測(cè)量精度[4-5]。

由于應(yīng)變片貼在懸臂梁的表面測(cè)量其橫向的應(yīng)變，由胡克定律[6]可知，表面應(yīng)變是正向應(yīng)變帶來的，因此可利用Workbench中的Normal Elastic Strain檢測(cè)正向應(yīng)力作用在懸臂梁表面引起x軸的應(yīng)變，如圖6所示。

圖6 懸臂梁表面x軸的應(yīng)變圖

利用Workbench中的指針探測(cè)功能(Probe)對(duì)所貼應(yīng)變片橫向測(cè)力的部分進(jìn)行應(yīng)變采集。應(yīng)變采集的組數(shù)按照2 500N的間隔測(cè)量10組數(shù)據(jù)，每組在應(yīng)變片的粘貼處采集20次，取平均作為一組值，將張力值與橫向應(yīng)變進(jìn)行曲線擬合結(jié)果如圖7所示，可以看到兩者呈線性關(guān)系。理論上可以驗(yàn)證在此位置上應(yīng)變片隨著張力的改變線性度良好。

圖7 張力與應(yīng)變片橫向應(yīng)變擬合圖

3 裝配體模態(tài)分析

模態(tài)分析的目的是確定自然頻率、振型和振型的參與系數(shù)(即在指定的方向上某個(gè)振型參與多大程度的振動(dòng))。進(jìn)行翼傘降落試驗(yàn)的時(shí)候，組提帶會(huì)與張力傳感器產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)，傳感器受到組提帶上張力的沖力會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，若兩者發(fā)生共振可能會(huì)給傳感器帶來不可恢復(fù)性損傷，極大降低傳感器的耐用性。為此需對(duì)傳感器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，確定設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的固有頻率，張力傳感器的前三階振型如圖8所示。

圖8 張力傳感器的前三階振型

從仿真結(jié)果分析可得，一階的頻率為2 759.8Hz，傳感器兩側(cè)繞著主力臂在xy平面上振動(dòng)；二階的頻率為5 686.8Hz，傳感器上下兩側(cè)向力臂的中點(diǎn)處前后擠壓；三階的頻率為8 930.1Hz，傳感器兩側(cè)繞著主力臂在xy平面上振動(dòng)；傳感器兩側(cè)繞著主力臂在xy平面和zy平面上扭轉(zhuǎn)擺動(dòng)。當(dāng)階數(shù)增加，傳感器的固有頻率會(huì)越高，振動(dòng)會(huì)越劇烈。由于和張力傳感器接觸的組提帶是由纖維織物組成的，工作頻率達(dá)不到1 000Hz，因此可以保證兩者不發(fā)生共振，所設(shè)計(jì)的傳感器不會(huì)發(fā)生損壞，且能夠保持測(cè)量的穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

1)本文設(shè)計(jì)了一種適用于翼傘組提帶張力測(cè)量的無線傳感器，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)具有高度的對(duì)稱性，能夠有效保證傳感器測(cè)量的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度。

2)對(duì)張力傳感器裝配體進(jìn)行靜力學(xué)分析，結(jié)果表明：應(yīng)力集中分布在主力臂的彎折處，材料處在彈性變形未產(chǎn)生塑性形變，滿足設(shè)計(jì)要求。在應(yīng)力較大的主力梁兩側(cè)粘貼應(yīng)變片，分析得到該位置的線性度良好；采用垂直粘貼法的全橋電路，可減小或克服傳感器工作狀態(tài)改變帶來的誤差。

3)對(duì)張力傳感器進(jìn)行模態(tài)分析，得到其固有頻率和振型。組提帶工作頻率距離其工作頻率較遠(yuǎn)，組提帶不會(huì)引起傳感器共振，傳感器能夠穩(wěn)定地工作。