整体式盒式应变天平有限元设计

　　在风洞天平的结构设计过程中,传统的材料力学和弹性力学方法设计应变天平时,通常忽略天平主体对测量元件变形影响及测量元件之间的变形影响,偏重于经验设计,从而造成理论结果与测量结果间的差异。另外,传统设计方法不能获得天平整体结构的应力变化梯度及温度变化梯度,且天平设计周期长,分析效率低,难以满足日益发展的微型化、大载荷、高灵敏度、高精度等天平设计需求。

　　近年来随着有限元方法(Finite element method,FEM)的原理、方法趋于成熟,FEM能预测天平的刚度、强度和进行结构优化设计,因此逐渐受到国内外天平研究者的青睐,如Suhariyono等[1]基于FEM研究了微飞行器气动力测量的天平优化设计,标定结果与有限元分析结果对比表明FEM可行。Zhai等[2]应用FEM研究了点对称内式六分量天平的干扰,结果表明线性误差可通过结构优化大大地减小,非线性误差可通过提高结构刚度减小。Daniel等[3]基于FEM研究了高超风洞的三分量天平,建立起天平的应变、灵敏度与激振力关系,并以实验验证了分析结果的正确性。在国内,文献[4-6]均应用FEM成功地分析了不同结构形式天平的刚度和模态等。

　　本文根据我国大飞机项目的发展需要,针对半模试验的具体要求,应用一体化3D软件CATIA设计此整体式盒式天平,该软件可方便地实现天平的概念设计和虚拟样机,精确可靠的解决方案提供了完整2D,3D参数化建模、虚拟样机建立及有限元分析等,其有限元分析方法借助于矩阵分析求解联立代数方程组可以解决传统设计方法无法完成或难以完成的工程实际问题,易于实现天平的动态设计,从而达到缩短设计周期、结构优化、提高质量、降低成本的目的。

　　1　盒式天平模型

　　该盒式天平为六分量整体式结构,力矩参考中心位于天平形心,外形尺寸为长×宽×高=400 mm×200 mm×180 mm,选用材料为30CrMnSiA,其结构如图1所示。

　　该天平为半模试验设计,满足高升力和大滚转力矩的要求,同时兼顾其他分量的测量,天平各量程具体如表1所示。

　　2静力学分析

　　2.1　有限元建模及求解过程

　　CATIA的有限元结构分析步骤如下:首先应用实体模块按图1的设计尺寸建立盒式天平的3D有限元实体模型(如图2所示),添加材料属性,然后进入创成式零件结构分析(GPS-General struc-ture analysis)模块,选择网格单元类型及单元属性,对图2的天平下底面实施夹紧约束,按设计要求分别施加各分量载荷,最后执行求解。进行初步分析后,若需提高分析精度,可对整体网格细化或为了提高求解效率对关心的危险截面及梁进行局部网格细化,重新执行求解,分析计算结果[7-8]。