[發明專利]一種高、低溫天平分析方法及分析系統

有效

• 申請號: 201410528208.0
• 申請日: 2014-10-09
• 公開（公告）號: CN104298823B
• 公開（公告）日: 2017-09-15
• 發明（設計）人: 苗磊;向光偉;賈巍;米鵬;謝斌;楊洪勝;劉偉;史玉杰;劉維亮;王超;潘華燁
• 申請（專利權）人: 中國空氣動力研究與發展中心高速空氣動力研究所
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50;G06T17/00
• 代理公司: 北京天達知識產權代理事務所(普通合伙)11386
• 代理人: 馬東偉,暴茜

1.一種高、低溫天平流-熱-固耦合分析方法，其特征在于，包括：

在三維建模軟件中，對高、低溫天平進行參數化數學模型構建，將構建的天平參數模型與預先建立的風洞流場數模、試驗模型數模、天平支桿數模、連接錐套數模以及隔熱套數模按天平實際裝配關系進行虛擬組裝，形成一個系統；

通過有限元分析軟件對上述系統進行網格劃分；

模擬系統中天平的實際受載情況，在有限元分析軟件中模擬系統中天平的實際受載情況，分析計算高、低溫天平的強度、剛度、靈敏度及測量元件之間的相互干擾，并以通過測量元件處應變變化梯度的劇烈程度，干擾信號輸出值的大小為依據，獲得高、低溫天平的結構形式；分析計算時，首先將除天平參數模型以外的所有部件數模抑制，將天平固定端端面全約束，僅對天平參數模型施加載荷，施加力矩和遠端力的作用點都在天平參數模型的自由端端面上，施加單元載荷，計算天平在每個單元載荷作用下其對應分量的靈敏度大小、電信號輸出及各測量元件之間相互干擾的大小；施加組合載荷，計算在組合載荷作用下，天平的強度與剛度；滿足交叉干擾小，天平整體剛度、強度大的天平結構形式即可進行下一步分析，所述干擾輸出值應控制在10％以內，所述強度的具體要求是：最大應力小于天平材料的屈服強度極限值除以安全系數；

模擬實際吹風情況，計算出系統的傳熱邊界條件，并對系統加載所述傳熱邊界條件；在此基礎上對所述系統進行仿真計算并對結果進行評價，以獲得最終的高、低溫天平的結構形式。

2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，進一步包括：

在三維建模軟件中對高、低溫天平開展以天平測量元件全部尺寸為參數的數模構建，所述參數至少包括：天平的整體外形尺寸，各測量元件全尺寸及相互間的相對位置關系，天平中部等值過渡段的長度，天平斷開槽相對于天平坐標軸系的位置尺寸；參數化數模構建完成后，將構建的天平參數模型與風洞流場數模、試驗模型數模、天平支桿數模、連接錐套數模以及隔熱套數模按實際裝配關系進行虛擬組裝，形成一個系統并將其保存為有限元分析所需的文件類型。

3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，進一步包括：

網格劃分的整體坐標系采用正交直角坐標系，X軸的方向沿天平軸方向，坐標系的中心在天平的幾何中心，Z軸指向天平的側向力測量元件方向，Y軸指向天平的法向力測量元件方向。

4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，進一步包括：

實際吹風情況是指試驗馬赫數及實際風洞條件，它與傳熱邊界條件直接有關；傳熱邊界條件是通過有限元分析軟件中的CFX或者FLUENT模塊計算獲得，計算的最終結果是：風洞流場的溫度。

5.根據權利要求1到4中任意一項所述的方法，其特征在于，進一步包括：

通過有限元分析軟件中的CFX或者FLUENT模塊計算出傳熱邊界條件，對系統加載所述傳熱邊界條件，包括：首先進行的是流-熱耦合分析，通過Ansys軟件中的熱分析模塊計算，將流場溫度傳遞到試驗模型數模、天平支桿數模、連接錐套數模以及隔熱套數模4個數模上，獲得上述每個數模中的溫度場；接著進行熱-固耦合分析，以獲得的溫度場為載荷條件，通過有限元分析軟件中的靜力學分析模塊計算，得到天平各測量元件處的熱應力。

6.根據權利要求5所述的方法，其特征在于，進一步包括：

在有限元分析軟件中對所述的系統進行仿真計算，并對計算的天平參數模型的熱應力結果進行評價：判斷熱應力對天平各分量產生的熱輸出是否小于滿載輸出的預定百分比，如果是，則認為之前獲得的天平結構即為最終的高、低溫天平結構形式，否則轉到最開始重新計算分析。

7.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，所述預定百分比為0.2％。

8.一種高、低溫天平流-熱-固耦合分析系統，其特征在于，包括：

組裝模塊，用于在三維建模軟件中，對高、低溫天平進行參數化數學模型構建，將構建的天平參數模型與預先建立的風洞流場數模、試驗模型數模、天平支桿數模、連接錐套數模以及隔熱套數模按天平實際裝配關系進行虛擬組裝，形成一個系統；

網格劃分模塊，用于通過有限元分析軟件對上述系統進行網格劃分；

模擬模塊，模擬系統中天平的實際受載情況，分析計算高、低溫天平的強度、剛度、靈敏度及測量元件之間的相互干擾，并據此獲得高、低溫天平的結構形式；分析計算時，首先將除天平參數模型以外的所有部件數模抑制，將天平固定端端面全約束，僅對天平參數模型施加載荷，施加力矩和遠端力的作用點都在天平參數模型的自由端端面上，施加單元載荷，計算天平在每個單元載荷作用下其對應分量的靈敏度大小、電信號輸出及各測量元件之間相互干擾的大小；施加組合載荷，計算在組合載荷作用下，天平的強度與剛度；滿足交叉干擾小，天平整體剛度、強度大的天平結構形式即可進行下一步分析，所述干擾輸出值應控制在10％以內，所述強度的具體要求是：最大應力小于天平材料的屈服強度極限值除以安全系數；

評價模塊，用于模擬實際吹風情況，計算出系統的傳熱邊界條件，并對系統加載所述傳熱邊界條件；在此基礎上對所述系統進行仿真計算并對結果進行評價，以獲得最終的高、低溫天平的結構形式。