一种高、低温天平分析方法及分析系统技术方案

本发明专利技术涉及一种高、低温天平流-热-固耦合分析方法及系统，其中方法包括：在三维建模软件中，对高、低温天平进行参数化数学模型构建，其与预先建立的其他数模按天平实际装配关系进行虚拟组装；对上述系统进行网格划分；模拟系统中天平的实际受载情况，计算高、低温天平的强度、刚度、灵敏度及测量元件之间的相互干扰，获得高、低温天平的结构形式；模拟实际吹风情况，计算出系统的传热边界条件，并对系统加载所述传热边界条件；对所述系统进行仿真计算并对结果进行评价，以获得最终的高、低温天平的结构形式；本发明专利技术能够较为准确地反映高、低温天平的温度场与应力场，能够为天平结构设计提供指导，式能有效降低成本，缩短研制周期。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及高、低温天平
，尤其涉及一种高、低温天平分析方法及分析系统。
技术介绍
在高、低温天平的研制过程中，准确预测其结构的合理性是很关键的工作，这包括对其温度场、应力场的计算，这可以指导天平结构设计并天平性能进行评价，这种采用虚拟仿真来辅助设计的方法，缩短了开发周期。目前在高、低温天平的结构设计中，仅气动载荷、天平的直径和长度作为初始输入条件，未将温度考虑在内。但在高低温天平的使用过程中，气动热会对天平的结构产生一定的影响，将造成天平测量精准度下降。虽然在天平完成粘贴后，要对其进行温度补偿，但这种方式主要是解决天平上惠斯顿电桥中线路、应变计等随温度变化的问题，温度对天平结构的影响会因对天平采用不同的升降温补偿方式而不同。对一台完整天平而言，当其结构确定后，那么在特定试验条件下温度对结构的影响就已确定，因此，要解决温度对结构的影响，必须在天平设计阶段引入温度参数作为天平结构设计的初始条件。温度的获得可以通过在相似试验条件下，对结构相似的天平进行温度测量来实现，这种方式成本高，周期长，同时由于采用类比的测量方式获得，与真实情况在一定程度上存在差异。
技术实现思路
鉴于上述的分析，本专利技术旨在提供一种高、低温天平分析方法及分析系统，用以解决现高、低天平结构设计过程中因为没有考虑温度而带来的问题。本专利技术的目的主要是通过以下技术方案实现的：本专利技术提供了一种高、低温天平流-热-固耦合分析方法，包括：在三维建模软件中，对高、低温天平进行参数化数学模型构建，将构建的天平参数模型与预先建立的风洞流场数模、试验模型数模、天平支杆数模、连接锥套数模以及隔热套数模按天平实际装配关系进行虚拟组装，形成一个系统；通过有限元分析软件对上述系统进行网格划分；模拟系统中天平的实际受载情况，计算高、低温天平的强度、刚度、灵敏度及测量元件之间的相互干扰，并据此获得高、低温天平的结构形式；模拟实际吹风情况，计算出系统的传热边界条件，并对系统加载所述传热边界条件；在此基础上对所述系统进行仿真计算并对结果进行评价，以获得最终的高、低温天平的结构形式。上述方法进一步包括：在三维建模软件中对高、低温天平开展以天平测量元件全部尺寸为参数的数模构建，所述参数至少包括：天平的整体外形尺寸，各测量元件全尺寸及相互间的相对位置关系，天平中部等值过渡段的长度，天平断开槽相对于天平坐标轴系的位置尺寸；参数化数模构建完成后，将构建的天平参数模型与风洞流场数模、试验模型数模、天平支杆数模、连接锥套数模以及隔热套数模按实际装配关系进行虚拟组装，形成一个系统并将其保存为有限元分析所需的文件类型。上述方法进一步包括：网格划分的整体坐标系采用正交直角坐标系，X轴的方向沿天平轴方向，坐标系的中心在天平的几何中心，Z轴指向天平的侧向力测量元件方向，Y轴指向天平的法向力测量元件方向。上述方法进一步包括：在有限元分析软件中模拟系统中天平的实际受载情况，计算高、低温天平的强度、刚度、灵敏度及测量元件之间的相互干扰，并以通过测量元件处应变变化梯度的剧烈程度，干扰信号输出值的大小为依据，获得高、低温天平的结构形式。上述方法进一步包括：分析计算时，首先将除天平参数模型以外的所有部件数模抑制，将天平固定端端面全约束，仅对天平参数模型施加载荷，施加力矩和远端力的作用点都在天平参数模型的自由端端面上，施加单元载荷，计算天平在每个单元载荷作用下其对应分量的灵敏度大小、电信号输出及各测量元件之间相互干扰的大小；施加组合载荷，计算在组合载荷作用下，天平的强度与刚度；满足交叉干扰小，天平整体刚度、强度大的天平结构形式即可进行下一步分析。上述方法进一步包括：实际吹风情况是指试验马赫数及实际风洞条件，它与传热边界条件直接有关；传热边界条件是通过有限元分析软件中的CFX或者FLUENT模块计算获得，计算的最终结果是：风洞流场的温度。上述方法进一步包括：通过有限元分析软件中的CFX或者FLUENT模块计算出传热边界条件，对系统加载所述传热边界条件，包括：首先进行的是流-热耦合分析，通过Ansys软件中的热分析模块计算，将流场温度传递到试验模型数模、天平支杆数模、连接锥套数模以及隔热套数模4个数模上，获得上述每个数模中的温度场；接着进行热-固耦合分析，以获得的温度场为载荷条件，通过有限元分析软件中的静力学分析模块计算，得到天平各测量元件处的热应力。上述方法进一步包括：在有限元分析软件中对所述的系统进行仿真计算，并对计算的天平参数模型的热应力结果进行评价：判断热应力对天平各分量产生的热输出是否小于满载输出的预定百分比？如果是，则认为之前获得的天平结构即为最终的高、低温天平结构形式，否则转到最开始重新计算分析。其中，所述预定百分比为0.2％。本专利技术还提供了一种高、低温天平流-热-固耦合分析系统，包括：组装模块，用于在三维建模软件中，对高、低温天平进行参数化数学模型构建，将构建的天平参数模型与预先建立的风洞流场数模、试验模型数模、天平支杆数模、连接锥套数模以及隔热套数模按天平实际装配关系进行虚拟组装，形成一个系统；网格划分模块，用于通过有限元分析软件对上述系统进行网格划分；模拟模块，模拟系统中天平的实际受载情况，计算高、低温天平的强度、刚度、灵敏度及测量元件之间的相互干扰，并据此获得高、低温天平的结构形式；评价模块，用于模拟实际吹风情况，计算出系统的传热边界条件，并对系统加载所述传热边界条件；在此基础上对所述系统进行仿真计算并对结果进行评价，以获得最终的高、低温天平的结构形式。本专利技术有益效果如下：本专利技术通过有限元分析，能模拟试验模型在实际吹风条件下的气动力与气动热，能够较为准确地反映高、低温天平的温度场与应力场，能够为天平结构设计提供指导，这种方式能有效降低成本，缩短研制周期。本专利技术的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本专利技术而了解。本专利技术的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。附图说明图1为本专利技术实施例所述方法的主要流程示意图；图2为本专利技术实施例所述方法的具体流程示意图；图3为本专利技术实施例所述系统的结构示意图。具体实施方式下面结合附图来具体描述本专利技术的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本专利技术的实施例一起用于阐释本专利技术的原理。首先，结合附图1和2对本专利技术实施例所本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高、低温天平流‑热‑固耦合分析方法，其特征在于，包括：在三维建模软件中，对高、低温天平进行参数化数学模型构建，将构建的天平参数模型与预先建立的风洞流场数模、试验模型数模、天平支杆数模、连接锥套数模以及隔热套数模按天平实际装配关系进行虚拟组装，形成一个系统；通过有限元分析软件对上述系统进行网格划分；模拟系统中天平的实际受载情况，计算高、低温天平的强度、刚度、灵敏度及测量元件之间的相互干扰，并据此获得高、低温天平的结构形式；模拟实际吹风情况，计算出系统的传热边界条件，并对系统加载所述传热边界条件；在此基础上对所述系统进行仿真计算并对结果进行评价，以获得最终的高、低温天平的结构形式。

【技术特征摘要】
1.一种高、低温天平流-热-固耦合分析方法，其特征在于，包括：
在三维建模软件中，对高、低温天平进行参数化数学模型构建，将构建的天平参
数模型与预先建立的风洞流场数模、试验模型数模、天平支杆数模、连接锥套数模以
及隔热套数模按天平实际装配关系进行虚拟组装，形成一个系统；
通过有限元分析软件对上述系统进行网格划分；
模拟系统中天平的实际受载情况，计算高、低温天平的强度、刚度、灵敏度及测
量元件之间的相互干扰，并据此获得高、低温天平的结构形式；
模拟实际吹风情况，计算出系统的传热边界条件，并对系统加载所述传热边界条
件；在此基础上对所述系统进行仿真计算并对结果进行评价，以获得最终的高、低温
天平的结构形式。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括：
在三维建模软件中对高、低温天平开展以天平测量元件全部尺寸为参数的数模构
建，所述参数至少包括：天平的整体外形尺寸，各测量元件全尺寸及相互间的相对位
置关系，天平中部等值过渡段的长度，天平断开槽相对于天平坐标轴系的位置尺寸；
参数化数模构建完成后，将构建的天平参数模型与风洞流场数模、试验模型数模、天
平支杆数模、连接锥套数模以及隔热套数模按实际装配关系进行虚拟组装，形成一个
系统并将其保存为有限元分析所需的文件类型。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括：
网格划分的整体坐标系采用正交直角坐标系，X轴的方向沿天平轴方向，坐标系
的中心在天平的几何中心，Z轴指向天平的侧向力测量元件方向，Y轴指向天平的法
向力测量元件方向。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括：
在有限元分析软件中模拟系统中天平的实际受载情况，分析计算高、低温天平的
强度、刚度、灵敏度及测量元件之间的相互干扰，并以通过测量元件处应变变化梯度
的剧烈程度，干扰信号输出值的大小为依据，获得高、低温天平的结构形式。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，进一步包括：
分析计算时，首先将除天平参数模型以外的所有部件数模抑制，将天平固定端端
面全约束，仅对天平参数模型施加载荷，施加力矩和远端力的作用点都在天平参数模
型的自由端端面上，施加单元载荷，计算天平在每个单元载荷作用下其对应分量的灵

\t敏度大小、电信号输出及各测量元件之间相互干扰...

【专利技术属性】
技术研发人员：苗磊，向光伟，贾巍，米鹏，谢斌，杨洪胜，刘伟，史玉杰，刘维亮，王超，潘华烨，
申请(专利权)人：中国空气动力研究与发展中心高速空气动力研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51