超燃冲压发动机力和力矩直接测量天平研制*

杨中艳,郭少杰,刘 丹,郑 芳,孙 侃

(中国航天空气动力技术研究院第二研究所, 北京 100074)

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。

该天平在结构上采用了盒式应变天平的形式,具有刚性大、干扰小和良好的机械性能等特点[1-2]。通过精细的结构设计、遗传算法优化及有限元分析,解决了天平空间尺寸小和各分量载荷难匹配的问题,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。

1 技术要求

1)天平设计载荷(见表1)。

表1 天平设计载荷

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。

图1 测力装置结构图

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。

图2 天平结构示意图

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。

两个框体之间用8个与测量元件相对应的双圆弧弹性连杆连接。弹性连杆所提供的横向自由度排除了其他两个方向上力的作用,因此,只能传递连杆轴向的拉力或压力,保证悬臂梁只受到欲测量分量的载荷作用,实现力与力矩的机械分解。另外再通过应变片的粘贴位置与全桥测量电路的设置,使其他分量的载荷所产生的应变不改变电桥的平衡状态,实现力与力矩的电气分解[1,3]。

2.2 天平设计计算

在理论计算和初步结构设计的基础上,利用有限元方法对天平进行设计计算[4-5]。天平材料选用沉淀硬化不锈钢0Cr17Ni4Cu4Nb(俗称17-4PH),其弹性模量E=2.07×1011Pa,泊松比μ=0.3,屈服极限σs=1.176×109Pa[6]。

在分析中采用四面体二次单元C3D10对计算域进行离散,天平测量元件和柔性铰链区域网格进行局部加密,网格单元数约为26万,如图3所示。有限元计算采用单分量载荷施加,加载中心位于天平元件中心[7-8]。由于篇幅受限,只给出了轴向力作用下天平应变和变形的计算结果,如图4、图5所示。

图3 天平有限元网格

图4 轴向力作用下天平应变的计算结果

图5 轴向力作用下天平变形的计算结果

根据有限元计算结果,得到该天平在贴片位置(距测量元件根部约1.5 mm处)的平均应变值,表2给出了在设计载荷时各分量贴片位置应变值结果。表3给出了有限元计算的各分量测量元件上的最大节点位移。从表3可以看出,天平变形满足设计要求。

表2 各分量作用下测量元件应变值输出统计

表3 各分量作用下测量元件最大节点位移计算结果

2.3 天平优化设计

天平优化设计主要是指天平测量元件几何尺寸的优化设计,具体拟采用遗传优化算法对盒式天平的测量元件进行多约束下的单目标和多目标优化,已在我实验室得到成功应用[9-10]。

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。

图6 遗传算法流程图

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:

(1)

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:

(2)

式中:0.4，0.6为权系数;f2与单目标的f定义相同;

(3)

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。

图7 综合载荷Mises应力云图

2.5 过载保护装置

过载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[11-12]。

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。

图8 法向保护装置

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。

图9 横向保护装置

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。

图10 天平静态校准图

校准结果见表4和表5[13]，从表中静校结果来看,天平精准度已达到或超过设计指标,能够满足试验要求。

表4 天平静校结果(1)

表5 天平静校结果(2)

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。