六分量盒式应变天平的有限元分析

　　0　引言

　　应变天平作为风洞测力试验的一级传感器,具有相当重要的作用。相比于常用的杆式应变天平,盒式应变天平以其刚度大、机械分解较彻底、耦合干扰小等特点,在低速风洞模型试验中正在日益得到广泛应用[1]。采用传统的材料力学方法估计天平的变形、应力与应变,既费时费力又有局限性。将有限元方法用于天平设计,可缩短天平设计的周期,降低设计加工成本,提高天平质量[2]。因此,文中应用ABAQUS软件对西工大NF-3风洞中现有一台盒式天平进行了有限元分析,计算发现用5mm×5mm的矩形梁代替所有弹性连杆,力的机械分解效果较差,没有达到预定的消扰目的。查阅《低速风洞天平手册》[3],提出了一种改进方案:用带有9mm×9mm矩形截面双圆弧形弹性铰链的正棱柱代替所有弹性连杆。

　　1　建立有限元模型

　　天平改进前后的外形尺寸基本相同,长度为200mm,宽度为100mm,高度为80mm。由浮动框、固定框与弹性连杆等组成。浮动框与试验模型连在一起,固定框连接到支撑系统上。浮动框与固定框之间通过7根弹性连杆相连,其中X方向1根,Z方向2根,Y方向4根。六分量力(或力矩)载荷也相同,因此可以进行对比、计算分析。下面是两种不同弹性连杆天平结构的三维效果图(见图1)。

　　如图1所示,结构设计上,原天平结构用5mm×5mm的矩形梁代替所有弹性连杆,而改进后天平结构用带有9mm×9mm矩形截面双圆弧形弹性铰链的正棱柱代替所有弹性连杆。矩形截面双圆弧形弹性铰链,简称双圆弧形,灵敏度较高,机械分解效果好,因而天平干扰小,这种弹性铰链在受压时有高的失稳临界载荷,容易进行高精度的机械加工。

　　在天平有限元几何模型的建立中,采用了如光孔代替螺纹孔等简化处理。天平材料采用高强度马氏体时效钢OONi18Co8Mo5TiAl,弹性模量E=187.25×109Pa,泊松比μ=0.3,屈服极限σb=1754×106Pa。天平整体模型采用四节点四面体单元(C3D4)进行自由网格划分,形成离散的有限元模型。为了便于比较计算结果,对改进前后的两台天平在相同的设计载荷作用下,测量元件采用了相同的网格划分方法和相同的属性设置。盒式应变天平的设计载荷见表1。

　　2　单分量作用下的计算结果与分析

　　根据叠加原理,同时作用于同一弹性结构上的几个载荷产生的效果等于各个载荷分别作用于该结构上所产生效果的线性迭加。因此,先应用ABAQUS对天平单分量分别进行有限元计算。

　　图2、图3分别给出了天平在法向力Fy、俯仰力矩Mz单独作用下的应变云纹图(E11表示模型在单分量载荷作用下沿x向的应变)。

　　由图2和图3可知:法向设置四柱梁分别在Fy、Mz单独作用下呈现与材料力学方法分析一致的弯曲变形与弯扭变形。从图2中看出,天平加载Fy时,轴力元件的弹性连杆根部出现较大应力,因此Y对X的干扰很大;从图3中看出,天平加载Mz时,会出现浮动框和固定框的前后平移,由此产生了对X的较大干扰。根据有限元计算分析结果,可得到各分量单独作用下应变值,如表2所示。