[发明专利]一种应力分布优化的天平阻力元件结构

说明书

本发明公开了一种应力分布优化的天平阻力元件结构，包括均为L形的模型段和支杆段，所述模型段和支杆段的L形相互契合形成一个整体的圆柱结构，所述模型段沿着轴向设置有M形凹槽，所述支杆段沿着轴向设置有V形凸槽，所述模型段的M形凹槽与支杆段的V形凸槽相互契合，所述模型段与支杆段沿着轴向接触面通过焊接为一体，所述模型段与支杆段沿着径向相互不接触构成与轴向垂直的槽，所述模型段上沿着轴向在M形凹槽两侧对称设置有等应力的阻力元件和弹片阵列；本发明避免了天平结构应力集中现象，提高了天平的强度和疲劳寿命，提高了风洞试验的安全性，本发明应力分布均匀化，提高结构的承载能力和系统刚度，有利于提高天平使用性能。

技术领域

本发明属于航空航天测力试验气动力测量技术领域，尤其是多分量、低冲击、高精度、大载荷阻力测量时，利用结构优化设计和焊接加工工艺，改善天平阻力元件和弹片阵列及隔离槽上的应力分布，避免应力集中带来的强度问题和疲劳问题，提高应变天平在风洞试验中的整体性能。

背景技术

在风洞测力试验中，风洞试验的安全性、应变天平的整体性能一直是研究人员关注的问题。尤其是低冲击、高精度、大载荷阻力测量时，天平测量元件特别是阻力元件和弹片阵列及隔离槽容易产生较大应力集中。在经历大量试验后可能导致天平强度不足或疲劳失效等问题。

受设计条件和加工方法限制，一般杆式天平阻力元件和弹片阵列无法有效消除应力集中现象，隔离槽为非对称直面斜槽，斜槽根部容易生产较大应力，并且严重的结构非对称会导致较大的应力梯度和温度梯度，对测力信号的不确定度产生不利的影响，并且难以在天平粘贴、校准等后期工作中采取有效措施进行修正。某些天平的弹片阵列通过改变各组弹片的厚度可在一定程度上使某个分量的应力分布更加均匀，但不能根本上解决多分量同时作用时产生的严重应力不均匀问题。尤其是在多分量、低冲击、高精度、大载荷阻力测量时，这种应力集中现象特别明显，而且难以消除。不仅使天平设计难度增大，而且给风洞试验带来了巨大的安全隐患。

发明内容

本发明的目的是为了风洞试验中应变天平阻力结构的应力集中问题，提供一种应力分布优化的天平阻力元件结构与方法，采用分体结构设计优化方案、分步加工装配、焊接成型的研制方法，改善天平体应力分布情况，提高天平安全性和稳定性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种应力分布优化的天平阻力元件结构，包括均为L形的模型段和支杆段，所述模型段和支杆段的L形相互契合形成一个整体的圆柱结构，所述模型段沿着轴向设置有M形凹槽，所述支杆段沿着轴向设置有V形凸槽，所述模型段的M形凹槽与支杆段的V形凸槽相互契合，所述模型段与支杆段沿着轴向接触面通过焊接为一体，所述模型段与支杆段沿着径向相互不接触构成与轴向垂直的槽，所述模型段上沿着轴向在M形凹槽两侧对称设置有等应力的阻力元件和弹片阵列；

天平阻力元件分布优化的方法，包括以下步骤：

第一步，按照给定载荷对天平阻力元件结构进行模型端和支杆端分体设计与优化，通过对锐边倒圆角及结构圆滑过渡的流线形设计，使天平体应力梯度减小，设计合适的夹具；

第二步，分别加工模型段，支杆段和夹具，其中模型段与支杆段采用精加工内部结构，使得包括M形凹槽、V形凸槽、各个内表面光滑，每一个面与面之间圆润倒角实现平滑过渡；

第三步，装配模型段，支杆段和夹具，通过焊接实现天平模型段与支杆段的连接；

第四步,精加工阻力元件、弹片阵列、以及位于阻力元件和弹片阵列两端的垂直槽。

在上述技术方案中，所述弹片阵列由在模型段上掏取出若干连续的片状结构构成，所述阻力元件由在模型段上掏取出的结构构成。

在上述技术方案中，在模型段上掏挖后的弹片阵列和阻力元件设置在弧形槽内，所述每一个弹片均为弧形结构。