0 引言
根据工程要求,需研制一台可放入超燃冲压发动机被试段腔内并能实时测量发动机被试段所受的六分量力和力矩的测力天平。该天平应具有下列功能:
1)在冷态、热态两种情况下,直接测量作用在模型(发动机被试段)上的力和力矩。
2)天平中设置保护装置,防止启动或停车时的气动冲击力损坏天平。
3)天平设计时要考虑其所在的高压舱负压及温度环境。
由于腔内空间尺寸狭小,天平的尺寸受限,各分量载荷较难匹配,这进一步增加了该天平的研制难度。
1 技术要求
1)天平设计载荷(见表1)。
表1 天平设计载荷 |
| 分量 | 设计载荷 |
|---|---|
| 轴向力Fx/N | 4 500 |
| 法向力Fy/N | 7 000 |
| 侧向力Fz/N | 4 500 |
| 滚转力矩Mx/(N·m) | 1 000 |
| 偏航力矩My/(N·m) | 3 000 |
| 俯仰力矩Mz/(N·m) | 3 200 |
2)天平最大外形尺寸: 1 000 mm(长)×200 mm(宽)×150 mm(高)。
3)天平精度要求
天平静态校准综合加载重复性优于0.1%FS,综合加载误差优于0.2% FS。
4)天平保护要求
天平结构应具有锁紧功能,在试验前和非测力试验时,将天平动定架紧固连接,防止由于外界原因损坏天平。
5)天平环境
天平在真空度100 Pa、使用温度范围15~80 ℃的测力环境下,防护等级不低于IP64。天平非测力环境温度在200 ℃左右。
2 天平研制
测力装置由天平、上下转接板、保护装置组成,如图1所示。
天平用于直接测量发动机被试段所受的六分量力和力矩,上下转接板分别用于与发动机被试段支撑架和底座连接,保护装置用于防止流场建立时的气动冲击力或不可预知的力损坏天平。
2.1 天平结构
天平结构如图2所示,为保证天平使用性能,提高天平整体刚度,该天平为整体式结构,主要由浮动框与固定框和弹性连杆组成。
在固定框上设置8个矩形截面悬臂梁式测量元件,为了保证天平的加工精度与天平贴片方便,需要将全部的测量元件布置在天平的四周。通过在测量元件上粘贴应变片检测受力变形从而测出力或力矩。法向设置4个测量元件,测量法向力Fy、俯仰力矩Mz与滚转力矩Mx;横向设置两个测量元件,测量横向力Fz与偏航力矩My;轴向设置两个测量元件,测量轴向力Fx。
2.2 天平设计计算
表2 各分量作用下测量元件应变值输出统计 |
| 分量 | 设计载荷 | 计算应变/×10-6 |
|---|---|---|
| Fx/N | 4 500 | 524.7 |
| Fy/N | 7 000 | 331.7 |
| FZ/N | 4 500 | 216.5 |
| Mx/(N·m) | 1 000 | 489.4 |
| My/(N·m) | 3 000 | 338 |
| Mz/(N·m) | 3 200 | 336.7 |
表3 各分量作用下测量元件最大节点位移计算结果 |
| 分量 | 设计载荷 | 最大节点位移/(×10-2mm) |
|---|---|---|
| Fx/N | 4 500 | 2.22 |
| Fy/N | 7 000 | 1.96 |
| Fz/N | 4 500 | 1.05 |
| Mx/(N·m) | 1 000 | 1.62 |
| My/(N·m) | 3 000 | 2.53 |
| Mz/(N·m)1 | 3 200 | 2.33 |
2.3 天平优化设计
设计中,将单目标或多目标函数取倒数作为适应度函数。根据算例和经验设置种群规模为60,交叉概率0.9,变异概率0.005,最大进化代数取25代。
优化算法流程如图6所示。
天平优化的变量和约束条件选择如下:
1)设计变量为[b1,h1,l1,b2,h2,l2,b3,h3,l3]T=[xi]T,i=1,2,…,9。其中b、h、l为矩形截面测量元件的宽度、高度和长度,下脚标1、2、3分别表示法向、轴向和横向。
2)性能约束
强度约束为: 6Fmaxl-[σ]·bh2≤0,其中[σ]为材料许用应力,Fmax表示对应的作用力。
3)边界条件
根据天平边界尺寸及加工工艺的要求,几何约束条件如下:
4)适应度函数
a)单目标优化
主要考虑天平的输出应变是否满足灵敏度要求,适应度函数设为:
式中:[εj]为设计应变, j为天平的分量数。
b)多目标优化
在关注天平输出应变的基础上,同时考虑影响天平线性的刚度因素,将适应度函数设为加权形式:
F= =
式中:0.4,0.6为权系数;f2与单目标的f定义相同;
f1= , fx、 fy、 fz分别为轴向、法向和横向设置的天平测量元件端部线位移,计算公式如下:
式中:LMx、LMy、LMz分别为天平轴向、横向和法向弹性连杆轴线间距;A、B值由轴向力测量元件和横向力测量元件分配My得的力矩决定。
将优化结果再进行有限元计算,通过比较和验证,得出最佳的设计结果如下:
法向设置测量元件的b1=28 mm,h1=13 mm,l1=34 mm;
轴向设置测量元件的b2=28 mm,h2=12 mm,l2=31 mm;
横向设置测量元件的b3=24 mm,h3=20 mm,l3=34 mm。
2.4 天平强度校核
对天平实施有限元模拟校准综合加载,图7给出了综合载荷作用下天平的Mises应力云图,天平的最大应力约为227 N/mm2,天平材料的最大许用应力为1 313 N/mm2,安全系数约5.8,满足试验的强度要求。
2.5 过载保护装置
法向保护装置结构如图8所示,螺杆与下转接板固连,通过校准时实测天平满量程最大变形,调整螺母与上转接板间隙,如试验中有超出天平量程1.5倍的力时,上转接板与螺母接触将力传递到底座,从而保证不损坏天平。螺杆共设置4组,置于天平四周。
横向保护装置结构如图9所示,z向保护板与上转接板固连,通过校准时实测天平满量程最大变形,调整锁紧螺栓与天平固定框间隙,如试验中有超出天平量程1.5倍的力时,天平固定框与锁紧螺栓接触将力传递到底座,从而保证不损坏天平。锁紧螺栓共设置两组,对称置于天平横向两侧。轴向保护装置与横向保护装置类似。
2.6 天平隔热和防潮保护
因为天平的非测力环境温度在200 ℃左右,天平的热防护采用在测力装置四周加隔热板的方式,隔热板为发动机被试段外蒙皮。
天平的应变片进行防潮处理,应变片表面及引出线根部用防潮胶固定,并按防潮胶的固化工艺进行固化处理。
3 天平静态校准
天平加工完成后,在实验室完成了静态校准,静态校准图如图10所示。
表4 天平静校结果(1) |
| 分量 | 设计载荷 | 标准载荷 |
|---|---|---|
| Fx/N | 4 500 | 750 |
| Fy/N | 7 000 | 3 600 |
| Fz/N | 4 500 | 400 |
| Mx(N·m) | 1 000 | 330 |
| My/(N·m) | 3 000 | 290 |
| Mz(N·m) | 3 200 | 580 |
表5 天平静校结果(2) |
| 分量 | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Fx | Fy | Fz | Mx | My | Mz | |
| 桥臂电阻/Ω | 2 004 | 2 006 | 2 004 | 2 005 | 2 004 | 2 004 |
| 静校电压/V | 24 | 24 | 24 | 24 | 24 | 24 |
| 综合加载重 复性/%FS | 0.04 | 0.02 | 0.05 | 0.06 | 0.04 | 0.03 |
| 综合加载 误差/%FS | 0.19 | 0.06 | 0.13 | 0.14 | 0.12 | 0.10 |
4 风洞试验结果
天平校准完成后,在试验单位分别完成了两次小量程和一次大量程的超燃冲压发动机力和力矩直接测量试验,表明天平各项性能良好。
5 结论
文中研制的测力天平解决了空间尺寸小和各分量载荷不匹配的问题,有效降低了天平各分量之间的干扰,提高了天平的测量精准度。另外,还设计了天平的过载保护装置和天平的隔热和防潮保护装置。静校结果表明该天平满足设计指标,试验结果表明该天平各项性能良好。