风洞试验中飞行器模型支撑机构的刚度优化
发布时间：2021-09-15 11:45
提出了一种对应用于风洞试验的飞行器模型支撑机构进行刚度优化的方法,对飞行器模型支撑机构施加一个不同频率的激振力,通过模态和谐响应分析得到机构刚度最薄弱的环节。应用这一刚度优化方法,以飞行器模型支撑机构中的主支板为优化对象,通过灵敏度分析法得出主支板质量和固有频率对主支板根部尺寸的灵敏度,建立优化方程,基于MATLAB软件求解得到主支板的优化结果。主支板刚度优化后,减小了飞行器模型支撑机构整体在Y方向和Z方向的最大共振峰值,所对应的共振频率相应提高。
【文章来源】：机械制造. 2019,57(07)
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
俯仰滚转机构结构
底畲蟮墓舱竦惚皇游???中的最薄弱环节。通过对机构进行谐响应分析，找到机构在各方向上振幅最大的点，然后通过模态分析得出机构在这几个点处的振型，再通过分别刚化结构件识别出机构最薄弱的部件，最后进行优化设计，达到以优化局部进而提高整机刚度的效果。将机构模型导入ANSYSWorkbench仿真软件中进行分析，对各部件材料进行设置，将主支板的材料定为合金钢，其它主要结构件为普通碳钢。在机构有限元模型尾支杆处施加X、Y、Z方向均为1000N、频率为0~300Hz的激振力，得到尾支杆在各个频率下的振幅曲线，如图2所示。从三个方向的激振频率与幅值关系可以看出，在0~300Hz的频率范围内，机构出现了多个共振点，其中X方向和Y方向约在148Hz处出现最大共振峰值，Z方向约在94Hz处出现最大共振峰值。大幅值的共振点说明机构存在薄弱的结构件，使机构发生了共振。通过模态分析对机构在这两处频率下的薄弱环节进行识别，见表1。俯仰箱体连杆主支板安装座主支板尾支杆滚转套筒YXZ▲图1俯仰滚转机构结构振幅/mm3.02.52.01.51.00.50050100150200250300频率/Hz（a）X方向050100150200250300频率/Hz（b）Y方向050100150200250300频率/Hz（c）Z方向50454035302520151050振幅/mm9080706050403020100振幅/mm▲图2支杆振幅曲线丝杠螺母导轨滑块专题报导12
病⒅髦О濉⒅髦О灏沧白?⒘?恕⒌脊旎?椤⑺扛苈菽?进行刚化处理，再重新进行模态分析，得到两种振型对应的固定频率，见表2。表2刚化后机构固有频率由表2可以看出，对两种振型固有频率影响较大的构件是滚转轴、滚转套筒和主支板，其余构件对整个机构固有频率的提高作用则不明显。考虑到滚转轴、滚转套筒一般和尾支杆配合安装，可以改造的空间不大，因此选取对机构模态固有频率有最大影响的主支板进行优化，这是提高机构整体刚度的最有效途径。对主支板进行模态分析，得到主支板沿Z方向和Y方向扭动的模态，如图3所示。由图3可知，主支板沿Z方向扭动频率为59.83Hz，模态位移为10.477mm；主支板沿Y方向扭动频率为166.18Hz，模态位移为9.961mm。在主支板整体质量变化不大的情况下，提高主支板沿Z方向和Y方向扭动的固有频率，可以在最大程度上提高主支板在这两个频率处的刚度，进而提高整个机构的刚度。3主支板优化设计在主支板的优化设计中，笔者以主支板根部的尺寸，即主支板与主支板安装座相连部分的厚度、长度和宽度为变量，依次设为x1、x2、x3，则机构固有频率和质量对尺寸参数的灵敏度Sfi、Smi分别表示为：Sfi=坠f/坠xi（5）Smi=坠m/坠xi=ρAi（6）式中：f为主支板的固有频率；ρ为材料密度；Ai为xi对应的表面积。以主支板固有频率和质量对主支板根部尺寸参数的灵敏度为参考，可以通过改变主支板根部尺寸实现对主支板的结构优化。以主支板质量变化为约束，目的是尽可能提高其固有频率。以主支板根部尺寸为优化对象，具体优化参数见表3。表3主支板优化参数定义主支板待优化的固有频率f为主支板沿Z方向和Y方向扭动模态的固有频率之和，
【参考文献】：
期刊论文
[1]支撑刚度对飞翼模型固有模态和体自由度颤振特性的影响[J]. 刘基海,谷迎松,杨智春. 振动工程学报. 2018(05)
[2]飞行器跨超声速风洞试验模型中尾支撑结构的力学特性研究[J]. 郝东,毛代勇,余婧,张林,吴晗. 机械制造. 2018(07)
[3]机床整机动刚度薄弱环节辨识与优化方法研究[J]. 于长亮,张辉,王仁彻,郭垒. 机械工程学报. 2013(21)
[4]1.2m高速风洞CTS装置新控制系统及其应用研究[J]. 马东平,王发祥. 流体力学实验与测量. 2003(01)
本文编号：3396020
【文章来源】：机械制造. 2019,57(07)
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
俯仰滚转机构结构
底畲蟮墓舱竦惚皇游???中的最薄弱环节。通过对机构进行谐响应分析，找到机构在各方向上振幅最大的点，然后通过模态分析得出机构在这几个点处的振型，再通过分别刚化结构件识别出机构最薄弱的部件，最后进行优化设计，达到以优化局部进而提高整机刚度的效果。将机构模型导入ANSYSWorkbench仿真软件中进行分析，对各部件材料进行设置，将主支板的材料定为合金钢，其它主要结构件为普通碳钢。在机构有限元模型尾支杆处施加X、Y、Z方向均为1000N、频率为0~300Hz的激振力，得到尾支杆在各个频率下的振幅曲线，如图2所示。从三个方向的激振频率与幅值关系可以看出，在0~300Hz的频率范围内，机构出现了多个共振点，其中X方向和Y方向约在148Hz处出现最大共振峰值，Z方向约在94Hz处出现最大共振峰值。大幅值的共振点说明机构存在薄弱的结构件，使机构发生了共振。通过模态分析对机构在这两处频率下的薄弱环节进行识别，见表1。俯仰箱体连杆主支板安装座主支板尾支杆滚转套筒YXZ▲图1俯仰滚转机构结构振幅/mm3.02.52.01.51.00.50050100150200250300频率/Hz（a）X方向050100150200250300频率/Hz（b）Y方向050100150200250300频率/Hz（c）Z方向50454035302520151050振幅/mm9080706050403020100振幅/mm▲图2支杆振幅曲线丝杠螺母导轨滑块专题报导12
病⒅髦О濉⒅髦О灏沧白?⒘?恕⒌脊旎?椤⑺扛苈菽?进行刚化处理，再重新进行模态分析，得到两种振型对应的固定频率，见表2。表2刚化后机构固有频率由表2可以看出，对两种振型固有频率影响较大的构件是滚转轴、滚转套筒和主支板，其余构件对整个机构固有频率的提高作用则不明显。考虑到滚转轴、滚转套筒一般和尾支杆配合安装，可以改造的空间不大，因此选取对机构模态固有频率有最大影响的主支板进行优化，这是提高机构整体刚度的最有效途径。对主支板进行模态分析，得到主支板沿Z方向和Y方向扭动的模态，如图3所示。由图3可知，主支板沿Z方向扭动频率为59.83Hz，模态位移为10.477mm；主支板沿Y方向扭动频率为166.18Hz，模态位移为9.961mm。在主支板整体质量变化不大的情况下，提高主支板沿Z方向和Y方向扭动的固有频率，可以在最大程度上提高主支板在这两个频率处的刚度，进而提高整个机构的刚度。3主支板优化设计在主支板的优化设计中，笔者以主支板根部的尺寸，即主支板与主支板安装座相连部分的厚度、长度和宽度为变量，依次设为x1、x2、x3，则机构固有频率和质量对尺寸参数的灵敏度Sfi、Smi分别表示为：Sfi=坠f/坠xi（5）Smi=坠m/坠xi=ρAi（6）式中：f为主支板的固有频率；ρ为材料密度；Ai为xi对应的表面积。以主支板固有频率和质量对主支板根部尺寸参数的灵敏度为参考，可以通过改变主支板根部尺寸实现对主支板的结构优化。以主支板质量变化为约束，目的是尽可能提高其固有频率。以主支板根部尺寸为优化对象，具体优化参数见表3。表3主支板优化参数定义主支板待优化的固有频率f为主支板沿Z方向和Y方向扭动模态的固有频率之和，
【参考文献】：
期刊论文
[1]支撑刚度对飞翼模型固有模态和体自由度颤振特性的影响[J]. 刘基海,谷迎松,杨智春. 振动工程学报. 2018(05)
[2]飞行器跨超声速风洞试验模型中尾支撑结构的力学特性研究[J]. 郝东,毛代勇,余婧,张林,吴晗. 机械制造. 2018(07)
[3]机床整机动刚度薄弱环节辨识与优化方法研究[J]. 于长亮,张辉,王仁彻,郭垒. 机械工程学报. 2013(21)
[4]1.2m高速风洞CTS装置新控制系统及其应用研究[J]. 马东平,王发祥. 流体力学实验与测量. 2003(01)
本文编号：3396020
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