超燃沖壓發動機力和力矩直接測量天平研制*

楊中艷,郭少杰,劉 丹,鄭 芳,孫 侃

(中國航天空氣動力技術研究院第二研究所, 北京 100074)

0 引言

根據工程要求，需研制一臺可放入超燃沖壓發動機被試段腔內并能實時測量發動機被試段所受的六分量力和力矩的測力天平。該天平應具有下列功能:

1)在冷態、熱態兩種情況下,直接測量作用在模型(發動機被試段)上的力和力矩。

2)天平中設置保護裝置,防止啟動或停車時的氣動沖擊力損壞天平。

3)天平設計時要考慮其所在的高壓艙負壓及溫度環境。

由于腔內空間尺寸狹小,天平的尺寸受限,各分量載荷較難匹配,這進一步增加了該天平的研制難度。

該天平在結構上采用了盒式應變天平的形式,具有剛性大、干擾小和良好的機械性能等特點[1-2]。通過精細的結構設計、遺傳算法優化及有限元分析,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度。

1 技術要求

1)天平設計載荷(見表1)。

表1 天平設計載荷

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

天平靜態校準綜合加載重復性優于0.1%FS,綜合加載誤差優于0.2% FS。

4)天平保護要求

天平結構應具有鎖緊功能,在試驗前和非測力試驗時,將天平動定架緊固連接,防止由于外界原因損壞天平。

5)天平環境

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

2 天平研制

測力裝置由天平、上下轉接板、保護裝置組成,如圖1所示。

圖1 測力裝置結構圖

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

2.1 天平結構

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

圖2 天平結構示意圖

在固定框上設置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變片檢測受力變形從而測出力或力矩。法向設置4個測量元件,測量法向力Fy、俯仰力矩Mz與滾轉力矩Mx;橫向設置兩個測量元件,測量橫向力Fz與偏航力矩My;軸向設置兩個測量元件,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,實現力與力矩的機械分解。另外再通過應變片的粘貼位置與全橋測量電路的設置,使其他分量的載荷所產生的應變不改變電橋的平衡狀態,實現力與力矩的電氣分解[1,3]。

2.2 天平設計計算

在理論計算和初步結構設計的基礎上,利用有限元方法對天平進行設計計算[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對計算域進行離散,天平測量元件和柔性鉸鏈區域網格進行局部加密,網格單元數約為26萬,如圖3所示。有限元計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變和變形的計算結果,如圖4、圖5所示。

圖3 天平有限元網格

圖4 軸向力作用下天平應變的計算結果

圖5 軸向力作用下天平變形的計算結果

根據有限元計算結果,得到該天平在貼片位置(距測量元件根部約1.5 mm處)的平均應變值,表2給出了在設計載荷時各分量貼片位置應變值結果。表3給出了有限元計算的各分量測量元件上的最大節點位移。從表3可以看出,天平變形滿足設計要求。

表2 各分量作用下測量元件應變值輸出統計

表3 各分量作用下測量元件最大節點位移計算結果

2.3 天平優化設計

天平優化設計主要是指天平測量元件幾何尺寸的優化設計,具體擬采用遺傳優化算法對盒式天平的測量元件進行多約束下的單目標和多目標優化,已在我實驗室得到成功應用[9-10]。

設計中,將單目標或多目標函數取倒數作為適應度函數。根據算例和經驗設置種群規模為60,交叉概率0.9,變異概率0.005,最大進化代數取25代。

優化算法流程如圖6所示。

圖6 遺傳算法流程圖

天平優化的變量和約束條件選擇如下:

1)設計變量為[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1、2、3分別表示法向、軸向和橫向。

2)性能約束

強度約束為: 6Fmaxl-[σ]·bh2≤0,其中[σ]為材料許用應力,Fmax表示對應的作用力。

3)邊界條件

根據天平邊界尺寸及加工工藝的要求,幾何約束條件如下:

4)適應度函數

a)單目標優化

主要考慮天平的輸出應變是否滿足靈敏度要求,適應度函數設為:

(1)

式中:[εj]為設計應變,j為天平的分量數。

b)多目標優化

在關注天平輸出應變的基礎上,同時考慮影響天平線性的剛度因素,將適應度函數設為加權形式:

(2)

式中:0.4，0.6為權系數;f2與單目標的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。

將優化結果再進行有限元計算,通過比較和驗證,得出最佳的設計結果如下:

法向設置測量元件的b1=28 mm,h1=13 mm,l1=34 mm;

軸向設置測量元件的b2=28 mm,h2=12 mm,l2=31 mm;

橫向設置測量元件的b3=24 mm,h3=20 mm,l3=34 mm。

2.4 天平強度校核

對天平實施有限元模擬校準綜合加載,圖7給出了綜合載荷作用下天平的Mises應力云圖,天平的最大應力約為227 N/mm2,天平材料的最大許用應力為1 313 N/mm2,安全系數約5.8,滿足試驗的強度要求。

圖7 綜合載荷Mises應力云圖

2.5 過載保護裝置

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

法向保護裝置結構如圖8所示,螺桿與下轉接板固連,通過校準時實測天平滿量程最大變形,調整螺母與上轉接板間隙,如試驗中有超出天平量程1.5倍的力時,上轉接板與螺母接觸將力傳遞到底座,從而保證不損壞天平。螺桿共設置4組,置于天平四周。

圖8 法向保護裝置

橫向保護裝置結構如圖9所示,z向保護板與上轉接板固連,通過校準時實測天平滿量程最大變形,調整鎖緊螺栓與天平固定框間隙,如試驗中有超出天平量程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。鎖緊螺栓共設置兩組,對稱置于天平橫向兩側。軸向保護裝置與橫向保護裝置類似。

圖9 橫向保護裝置

2.6 天平隔熱和防潮保護

因為天平的非測力環境溫度在200 ℃左右,天平的熱防護采用在測力裝置四周加隔熱板的方式,隔熱板為發動機被試段外蒙皮。

天平的應變片進行防潮處理,應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行固化處理。

3 天平靜態校準

天平加工完成后,在實驗室完成了靜態校準,靜態校準圖如圖10所示。

圖10 天平靜態校準圖

校準結果見表4和表5[13]，從表中靜校結果來看,天平精準度已達到或超過設計指標,能夠滿足試驗要求。

表4 天平靜校結果(1)

表5 天平靜校結果(2)

4 風洞試驗結果

天平校準完成后,在試驗單位分別完成了兩次小量程和一次大量程的超燃沖壓發動機力和力矩直接測量試驗,表明天平各項性能良好。

5 結論

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度。另外,還設計了天平的過載保護裝置和天平的隔熱和防潮保護裝置。靜校結果表明該天平滿足設計指標,試驗結果表明該天平各項性能良好。