一种六分量应变式风洞天平的研制

发布时间：2017-09-16 23:31

  本文关键词：一种六分量应变式风洞天平的研制

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【摘要】：应变天平是一种单分量或多分量的应变式测力传感器,是风洞试验中最重要的测量装置,目前应变天平已广泛应用于各类空气动力测量试验。相比于机械天平和压电天平,应变天平有着明显的优势,主要包括动态响应快、设计制造成本低、体积小重量轻、研制周期较短且能够适应各种模型支撑方式。本文从风洞天平的应用背景入手,研究了应变天平的工作原理和测力元件各种结构形式的特点,分析了电测性能的影响因素并说明了对应的补偿措施。本杆式应变天平采用三片梁式组合元件,并设计出了新颖的轴向力元件结构形式,然后以材料力学为理论基础建立了各元件的应变和应力数学模型。接下来利用Solidworks对选定结构形式的应变天平进行了初步建模和力学有限元仿真,仿真内容包括设计载荷条件下各分量的有效输出及分量间的一阶干扰情况,根据仿真结果对结构尺寸进行优化,直到满足设计要求。然后将优化后的结构尺寸代入之前建立的数学模型中与仿真结果进行对比,证明了此研究方法的可靠性。完成了本应变天平结构设计后,介绍了其制造工艺并进行了风洞试验前的静态校准工作。首先制作了该应变天平的加工图,分析了天平所采用的高强度钢00Ni18Co8Mo5TiAl的加工性能特点,针对该应变天平体积小、结构复杂和材料强度高的特点设计了具体的加工流程。然后根据该应变天平的结构形式和应变模型设计了测量电路。制造过程首先是对材料毛坯进行固溶处理,在固溶状态下完成所有机械加工,再进行时效硬化、应变片敷贴及电路连接。在静态校准部分首先研究了校准原理、加载方式以及所使用加载架的合力(力矩)计算公式,然后给出了弹性角修正公式及数据的处理方法,完成静态校准得到了应变天平的使用公式。文章最后的校准数据评估表明本应变天平的测量性能满足设计要求,本文所述的应变天平理论研究、具体设计、加工制造和静态校准对今后研发类似应变式测力仪器有一定的指导作用。
【关键词】：应变天平 测力 结构设计 有限元
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH715.11
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-14
• 1.1 风洞天平的研究背景10
• 1.2 风洞天平概述10-12
• 1.2.1 风动天平的功能10
• 1.2.2 风动天平的类型10-11
• 1.2.3 风洞天平的发展11
• 1.2.4 风洞天平的工作特性11-12
• 1.3 本文的主要研究内容12-13
• 1.4 本文的结构13-14
• 第二章 应变天平简述14-23
• 2.1 应变天平简述14-16
• 2.1.1 应变天平的特点14
• 2.1.2 应变天平的工作原理14-15
• 2.1.3 应变天平的分类15
• 2.1.4 应变天平的设计要求15-16
• 2.2 应变天平电路简介16-18
• 2.2.1 电阻应变片及工作原理16-17
• 2.2.2 惠斯顿电桥17
• 2.2.3 应变模式17-18
• 2.3 弹性体材料选择18-19
• 2.4 应变片选择及粘贴19-20
• 2.5 信号采集系统20
• 2.6 测量性能的影响因素及补偿措施20-22
• 2.7 小结22-23
• 第三章 总体设计23-34
• 3.1 天平的设计量程23
• 3.2 天平的结构形式23-24
• 3.3 敏感元件结构形式及选择24-25
• 3.4 敏感元件应力应变数学模型25-33
• 3.5 小结33-34
• 第四章 建模及有限元计算34-58
• 4.1 有限元方法及应用34
• 4.2 天平的有限元计算34-37
• 4.3 仿真结果37-56
• 4.3.1 各测量元件有效应变37-41
• 4.3.2 分量间的一阶干扰41-52
• 4.3.3 强度分析52-53
• 4.3.4 天平的模态分析53-54
• 4.3.5 材料力学与有限元计算结果比较54-56
• 4.4 小结56-58
• 第五章 天平的制造58-63
• 5.1 应变天平的制造58-62
• 5.1.1 应变天平机械加工图设计58-60
• 5.1.2 应变天平的热处理60
• 5.1.3 应变天平的结构加工60-61
• 5.1.4 应变天平的表面处理61
• 5.1.5 应变天平的贴片61-62
• 5.2 小结62-63
• 第六章 天平的静态校准试验63-71
• 6.1 静态校准简述63
• 6.2 校准设备及加载方法63-66
• 6.3 弹性角校准方法66
• 6.4 数据采集66-67
• 6.5 静态校准可疑值舍弃方法67-68
• 6.6 静态校准公式及校准系数计算68-69
• 6.7 静态校准结果69-70
• 6.8 小结70-71
• 第七章 总结与展望71-73
• 7.1 本文工作总结71
• 7.2 展望71-73
• 致谢73-74
• 参考文献74-77
• 附录77-83

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本文编号：865949