發動機試驗臺測力機構柔性梁設計研究

楊中艷，蘇浩，劉丹，孫侃，尹世博

(中國航天空氣動力技術研究院 第二研究所，北京 100074)

發動機試驗臺測力機構柔性梁設計研究

楊中艷，蘇浩，劉丹，孫侃，尹世博

(中國航天空氣動力技術研究院 第二研究所，北京 100074)

柔性梁的剛度性能影響風洞盒式應變天平的精準度，是發動機試驗臺測力試驗數據精確可靠的重要保證，而柔性鉸鏈更是柔性梁設計的關鍵所在。首先，借助有限元分析方法對四種典型柔性鉸鏈進行計算分析，優選出綜合剛性最好的柔性鉸鏈形式；其次，基于選擇的柔性鉸鏈形式，研究三個關鍵結構參數對鉸鏈剛度的影響；最后，設計五種不同厚度的柔性梁進行有限元分析，并加工實物模型進行加載試驗驗證。結果表明：鉸鏈寬度b=40 mm、半徑R=5 mm、最小厚度t=4 mm時雙圓弧柔性梁的綜合剛度最好，且側向柔度大，軸向剛度優；有限元計算值和試驗值吻合良好，誤差小于5%，表明將有限元方法運用于柔性梁的設計優化是可行、可靠的。

發動機試驗平臺；柔性梁；柔性鉸鏈；應變天平；剛度；有限元分析

0 引 言

六分量天平是發動機試驗臺測力機構的核心部件，設計為裝配式盒式天平結構，由固定框、浮動框、高精度測力傳感器和柔性梁組成，并裝配為一個整體。試驗時試驗臺發動機模型安裝在測力機構，即裝配式六分量盒式天平的浮動框上。測力機構布局如圖1所示。

柔性梁是用來傳遞和分解力的，是六分量天平的重要組成部分，其剛度性能直接影響風洞盒式應變天平的精準度，是發動機試驗臺測力實驗數據精確可靠的重要保證。柔性梁兩端有雙向柔性鉸鏈，柔性鉸鏈更是柔性梁設計的關鍵所在[1]。

柔性鉸鏈有多種結構形式，包括圓弧型、圓截面萬向型和彈簧片式等。柔性鉸鏈可提供角位移，軸向剛度好，并且無間隙、無摩擦和滯后，被廣泛應用于風洞天平、機器人、機械手、精密定位系統，但都為中小載荷[2-5]。20世紀60年代中期，美國聯合航空公司首先將彈簧片式柔性鉸鏈引入盒式天平[6]，而后NASA蘭利研究中心將圓截面細棒性柔性鉸鏈和雙圓弧型柔性鉸鏈引入整體式盒式天平[7]；國內，楊中艷等[8]提出了用雙圓弧型柔性鉸鏈代替矩形截面柔性鉸鏈的柔性梁，對提高盒式天平整體剛度、降低各分量之間的干擾，尤其對提高阻力元測量的精度作了突出貢獻。賀偉等[9]成功地將雙圓弧型柔性鉸鏈應用到單模塊超燃發動機推力測量天平的柔性梁設計。但對于大載荷六分量發動機試驗臺測力機構而言，各分量載荷均在2 t以上，國內外類似應用的研究還是空白， 為了確保測力機構的性能，需針對柔性鉸鏈開展深入地研究工作。

本文采用ABAQUS有限元軟件對四種典型柔性鉸鏈在邊界條件、最小截面面積和總長度都相同的情況下分析其剛度性能，優選一種綜合剛性較好的柔性鉸鏈形式即圓弧型柔性鉸鏈，并給出關鍵結構參數對其剛度性能的影響關系，以期為雙圓弧型柔性梁的設計研究提供理論支持。設計并加工五種不同最小厚度的雙圓弧柔性梁，進行有限元剛度分析和側向加載試驗驗證，以驗證有限元計算的可靠性。

1 柔性鉸鏈模型

在發動機試驗臺測力試驗中，試驗者最關心的、也是最具有實際意義的分量是軸向力分量，它反映了發動機在試驗氣流中阻力的大小[9]。因此，本文根據試驗臺測力機構阻力分量的設計載荷，計算出單支柔性梁在軸向承受的載荷為20 kN。因其在實際使用中側向載荷未知，現施加側向載荷300 N進行柔性梁側向柔度分析(假設給定小干擾側向力，約為軸向載荷的1.5%)。柔性鉸鏈的材料選用17-4PH，總長度為35 mm，安全系數取4。

選取的四種典型柔性鉸鏈分別為：矩形截面單向直圓型柔性鉸鏈即圓弧型柔性鉸鏈、圓形截面萬向型柔性鉸鏈即柔性球鉸、同轉動中心圓弧切面雙向柔性鉸鏈和矩形截面彈簧片式單向柔性鉸鏈。

根據要求的安全系數，通過力學理論計算[10]，初步確定圓弧型柔性鉸鏈的最小厚度t=3 mm，依據t/R的最佳比值確定R≈5 mm，寬度b=40 mm，最小截面積A=b×t=120 mm2。

在邊界條件、最小截面面積和總長度相同的情況下，初步確定其他三種柔性鉸鏈結構尺寸如下：①柔性球鉸最小截面半徑t≈6.2 mm，圓弧半徑R=5 mm，圓心角90°；②同轉動中心圓弧切面雙向柔性鉸鏈最小厚度t=6 mm，圓弧半徑R=5 mm，寬度b=20 mm；③矩形彈簧片式單向柔性鉸鏈最小厚度t=6 mm，直梁部分長度l=10 mm，寬度b=20 mm。

2 柔性鉸鏈有限元分析

利用有限元軟件ABAQUS[10-13]建立各種柔性鉸鏈的有限元模型，如圖2所示。為了保證有限元計算的準確性，均采用高精度的六面體單元進行網格劃分。柔性鉸鏈的完全位移約束施加在底面節點，移動副約束施加在上端面的節點上。柔性鉸鏈應力在許用應力范圍內是柔性鉸鏈正常工作的保證。

通過有限元計算，得出各柔性鉸鏈在軸向載荷和側向載荷單獨作用下的應力和最大節點位移值，如表1所示。

表1 單獨載荷作用下各柔性鉸鏈的應力與最大節點位移計算結果

從表1可以看出：圓弧型柔性鉸鏈在軸向載荷單獨作用下，軸向最大Mises應力和最大節點位移最小，表明其軸向剛度最好；在側向載荷單獨作用下，圓弧型柔性鉸鏈的最大節點位移最大，約為0.023 4 mm，比側向節點位移最小的柔性球鉸的最大節點位移大了0.018 mm，約是柔性球鉸的4.5倍，表明其側向柔度最好；其軸向最大Mises應力為164 MPa，側向最大Mises應力為65.7 MPa，滿足第四強度理論條件，符合強度要求。因此，表明在四種柔性鉸鏈中，圓弧型柔性鉸鏈軸向剛度最好，側向剛度最小，呈“柔性”，抑制非軸向力的干擾能力強，所以優選該鉸鏈形式作為后續研究。

3 圓弧型柔性鉸鏈關鍵結構參數對剛度的影響

圓弧型柔性鉸鏈關鍵結構參數包括最小厚度t、圓弧半徑R和寬度b。

R、b一定的情況下，設計五種不同尺寸t，進行有限元剛度分析，得到剛度與最小厚度t的關系，如圖3所示。

從圖3可以看出：圓弧型柔性鉸鏈軸向剛度與最小厚度t呈線性遞增關系，隨著t的增加，軸向剛度也近似線性增大；側向柔度與最小厚度t呈曲線遞減關系，且減速越來越平緩，隨著t的增加，側向柔度呈近似二次曲線減小。

t、b一定的情況下，設計五種不同尺寸R，進行有限元剛度分析，得到剛度與圓弧半徑R的關系，如圖4所示。

從圖4可以看出：圓弧型柔性鉸鏈的軸向剛度與圓弧半徑R呈線性遞減關系，隨著R的增加，軸向剛度也線性減小；側向柔度與圓弧半徑R呈線性遞增關系，隨著R的增加，側向柔度也線性增加。

t、R一定的情況下，設計五種不同尺寸b，進行有限元剛度分析，得到剛度與寬度b的關系，如圖5所示。

從圖5可以看出：圓弧型柔性鉸鏈的軸向剛度與鉸鏈寬度b呈線性遞增關系，隨著鉸鏈寬度b的增加，軸向剛度也線性增加；側向柔度與鉸鏈寬度b呈線性遞減關系，但曲線的斜率小，減速較緩，即鉸鏈寬度b值對圓弧型柔性鉸鏈的側向柔度的影響并不是特別敏感。

綜上所述，圓弧型柔性鉸鏈各結構設計參數對其側向柔度的影響程度依次為：鉸鏈最小厚度t影響最大，其次為圓弧半徑R，最后為鉸鏈寬度b。各結構設計參數對其軸向剛度的影響都為線性關系，其中鉸鏈最小厚度t影響最大。因此，采用改變鉸鏈最小厚度t的方法更易滿足圓弧型柔性鉸鏈設計要求。

4 柔性梁有限元分析

測力機構柔性梁用來傳遞沿其軸向的力，對與軸向正交的另外兩個方向呈“柔性”，以此抑制其他分量對軸向分量的干擾。因此，設計圓弧型柔性鉸鏈的雙圓弧柔性梁，并針對五種不同結構尺寸t=3、4、5、6、7 mm，進行有限元分析，邊界條件同柔性鉸鏈。

雙圓弧柔性梁的有限元模型如圖6所示，節點A表示柔性梁側向加載試驗輸出位移的節點。該柔性梁最小厚度t=4 mm時在軸向力20 kN單獨作用下的Mises應力和節點位移云圖如圖7所示。該柔性梁最小厚度t=4 mm時在側向載荷300 N單獨作用下的Mises應力和節點位移云圖如圖8所示。

通過有限元計算，得出各柔性梁在軸向載荷和側向載荷單獨作用下的應力和最大節點位移值，如表2所示。

表2 單獨載荷作用下雙圓弧柔性梁應力與節點位移計算結果

從表2可以看出：隨著最小厚度t的增加，雙圓弧型柔性梁的軸向最大Mises應力緩慢減小，軸向剛度隨之緩慢增加，而其側向最大Mises應力較迅速地減小，側向柔度也跟著較迅速地減小；各柔性梁在軸向載荷單獨作用下的軸向最大節點位移很小(最大僅為0.062 mm)，其形變變化量最大約為0.021 mm，因此，無法用萬能試驗機精確地測量其形變變化量，故未做軸向加載試驗。

5 試驗驗證

在專用天平校正架上對柔性梁各試件做側向加載試驗(其示意圖如圖9所示)，得出雙圓弧柔性梁的側向柔度試驗值與有限元計算值的比較結果，如圖10所示。

從圖10可以看出：雙圓弧柔性梁的側向柔度隨著最小厚度t的增加較迅速地減小，并且隨著t的增加其計算值與試驗值之間的誤差也越來越大，雖然柔性梁的側向柔度計算結果比試驗結果偏保守，但其計算與試驗結果一致(誤差小于5%)，驗證了有限元計算的可靠性。表明將有限元方法用于柔性梁的設計，可提高柔性梁的設計效率，降低天平研制成本。

6 結 論

(1) 通過對五種不同結構尺寸t的雙圓弧型柔性梁有限元分析及側向加載試驗驗證可知，鉸鏈寬度b=40 mm、半徑R=5 mm、最小厚度t=4 mm時雙圓弧柔性梁的綜合剛度最好(其側向柔度較大，軸向剛度也較優)。

(2) 本文所得到的發動機試驗臺測力機構阻力分量柔性梁的研究結果，為測力機構其他分量柔性梁的設計研究提供了理論基礎和試驗依據。

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楊中艷(1983-)，女，碩士，工程師。主要研究方向：天平與模型設計。

蘇浩(1987-)，男，工程師。主要研究方向：天平與模型設計。

劉丹(1979-)，男，碩士，高級工程師。主要研究方向：天平與模型設計。

孫侃(1976-)，男，碩士，高級工程師。主要研究方向：天平與模型設計。

尹世博(1973-)，男，碩士，高級工程師。主要研究方向：低速風洞試驗技術。

(編輯：趙毓梅)

ResearchonFlexibleBeamofForceMeasuringMechanismofEnginePlatform

Yang Zhongyan, Su Hao, Liu Dan, Sun Kan, Yin Shibo

(The Second Research Institute, China Academy of Aerospace Aerodynamics, Beijing 100074, China)

The flexible beam’s stiffness performance directly affects the accuracy of wind tunnel cassette strain gauge balance, and it is an important guarantee for accuracy of test data of engine test bench, whereas flexible hinge design is the key of flexible beam design. Firstly, four kinds of typical flexible hinges are analyzed by finite element method, and one flexible hinge which has good integrated stiffness is selected. Secondly, for selected hinge style, the influence of three key structural parameters on hinge stiffness performance is researched. Finally, basis on above research, five kinds of min-thickness flexible beams are designed and analyzed by finite element method, and their stiffness performance are validated by loading test. The result shows that the hinge widthb=40 mm, radiusR=50 mm and min-thicknesst=40 mm can get best stiffness performance, in addition, there is a good agreement between calculation and test(the maximum error is less than 5%). It indicates that by using the finite element method, the design and optimization of flexible beam are feasible and reliable.

engine platform; flexible beam; flexible hinge; strain gauge balance; stiffness; finite element analysis

蘇浩,13720041809@163.com

1674-8190(2017)04-465-06

V211.72

A

10.16615/j.cnki.1674-8190.2017.04.015