一种应力分布优化的天平阻力元件结构的制作方法

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。

技术实现要素：

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。

在上述技术方案中，所述若干个片状结构中相邻两个片状结构之间的间距、每一个片状结构的大小、厚度均不相等。

在上述技术方案中，所述阻力元件设置在弹片阵列中，所述弹片阵列分布在阻力元件的两侧。

在上述技术方案中，所述模型段m形凹槽内的两个侧边上分别沿着轴向设置有内凹槽，每一个内凹槽与模型段上的一个弹片阵列相邻。

在上述技术方案中，所述内凹槽的一个面为弧形。

在上述技术方案中，所述模型段上m形凹槽与支杆段的v形凸槽相互契合时两者之间设置有空隙，空隙使得模型段与支杆段形变后不触碰。

在上述技术方案中，所述m形凹槽和v形凸槽的各个边缘均为圆弧结构避免应力集中。

在上述技术方案中，所述的m形梁的切削部分位于模型段，长度小于模型段总长，截面不等但平滑过渡，通过设置圆角避免应力集中。

在上述技术方案中，所述的v形梁的切削部分位于支杆段，长度小于支杆段总长，截面不等但平滑过渡，通过设置圆角避免应力集中。

在上述技术方案中，所述模型段与支杆段之间由至少由两块金属结构且至少两组焊接面焊接后成为一个整体，所述的焊接面为等长矩形平面。

本发明的工作原理是：以材料力学、弹性力学理论为基础，通过结构等强度设计优化和倒圆角消除应力集中的方法，达到结构应力分布优化的目的。由于所述的应力分布优化的天平阻力元件结构内部存在相互插入的隔离槽，难以整体加工，提出了分体设计并焊接成型的制造工艺。在结构设计时，对于尖角、棱角等几何突变位置倒圆角消除应力集中；对于承受载荷的梁采用圆滑的连续变截面，使得结构应力分布趋于一致，不会出现某一部位应力过大的情况。制造工艺的核心思想是将复杂的内部隔离槽加工分解为容易加工的零件，焊接前精确加工内部结构，焊接后再加工外部结构，避免了焊接变形的问题。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

一是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。二是天平结构应力分布均匀化，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。三是通过分体设计进一步提高了天平结构设计的灵活性，有利于发挥设计优势，降低了设计难度。四是焊接成型的加工工艺解决了天平阻力元件加工难题，实现了复杂内部结构的加工。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明的结构正视图；

图2是图1的b-b剖视图；

图3是图1的a-a剖视图；

图4是本发明的结构示意图；

图5是本发明中的模型段结构示意图；

图6是图5的仰视图；

图7是本发明中的支杆段的结构示意图；

图8是图7的俯视图；

图9是图7的左视图

图10是装夹后的结构示意图；

图中：1.模型段，11.m形梁，12.内弧形槽，13.外弧形槽，14.圆角a，15.垂直槽a，16.焊接面a,2.支杆段，21.v形梁，22.圆角b，23.垂直槽b，24.焊接面b，3.阻力元件，4.弹片阵列，41.椭圆槽，5.隔离槽，6.夹具。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

如图1至图4所示，是本发明的一种应力分布优化的天平阻力元件结构示意图；本发明所述的一种应力分布优化的天平阻力元件结构主要包括模型段1，支杆段2，阻力元件3，弹片阵列4和隔离槽5，所述的模型段1与支杆段2只通过所述的阻力元件3和弹片阵列4相连，在结构内部设置有隔离槽5；所述的模型段设置有m形梁11，内弧形槽12，外弧形槽13，所述的支杆段设置有v形梁21；所述的隔离槽5通过所述的m形梁11和v形梁21融合而成；所述的应力分布优化的天平阻力元件结构设置的阻力元件3，弹片阵列4，m形梁11，v形梁21和隔离槽5关于纵向中心面对称。

图5、图6是本发明的模型段示意图，结合图1至图4，所述的m形梁11的切削部分位于模型段1，截面呈“m”状，长度小于模型段1总长，截面不等但平滑过渡，通过设置圆角a14避免应力集中；所述的m形梁11设置有内弧形槽12、外弧形槽13和椭圆槽41，用于形成等应力的阻力元件3和弹片阵列4；端部设置垂直槽a15，用于形成隔离槽5；设置有两个在同一水平面的矩形焊接面a16。

图7、图8、图9是本发明的支杆段示意图，结合图1至图4，所述的v形梁21的切削部分位于支杆段2，截面呈“v”状，长度小于支杆段2总长，截面不等但平滑过渡，通过设置圆角b22避免应力集中；端部设置垂直槽b23，用于形成隔离槽5；设置有两个在同一水平面的矩形焊接面b24。

图10是本发明的焊接装配示意图。所述的夹具6夹持模型段1和支杆段2，用于控制焊接变形，并且不影响焊接工序。所述的焊接面b24的大小与焊接面a16相同，装配后在同一水平面。

下面参照图1-10进一步说明本发明所述的一种应力分布优化的天平阻力元件结构的实施方案：

所述的一种应力分布优化的天平阻力元件结构高强度弹性合金钢材料通过一定的步骤方法设计加工而成，由至少由两块金属结构且至少两组焊接面焊接后成为一个整体。所述的隔离槽5无锐边锐角，m形梁11与v形梁21之间有一定空隙，在设计载荷作用下变形后不会使模型段与支杆段触碰。

所述的圆角a14和圆角b22的曲率半径应该足够大，否则不能有效消除应力集中。

所述的夹具6在夹紧固定之前，要保证模型段1与支杆段2配合面适宜，尤其是其同轴度、接触面的平面度，要保证焊接面a16和焊接面b24的接触达到85%以上。为保证装配质量，还可以设计其它工装进行辅助。

所述一种应力分布优化的天平阻力元件结构方法的具体实施步骤是：

第一步，按照给定载荷对天平阻力元件结构进行模型段1和支杆段2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，使天平体应力梯度较小，设计合适的夹具6。在设计m形梁11和v形梁21时，根据天平设计载荷确定沿轴向截面变化的幅度。一般在力矩参考中心截面最小，并且各截面应对称于纵向中心平台和垂直中心平面。m形梁11与v形梁21也可设计成其它多峰结构，但其间隙应该足够并且相互适应，不得在任何情况下接触。

第二步，分别加工模型段1，支杆段2和夹具3，其中模型段1与支杆段2精加工内部结构，包括m形梁11、内弧形槽12、圆角a14、垂直槽a15、焊接面a16、v形梁21、圆角b22、垂直槽b23、焊接面b24。按相应厚度加工焊接试件，以调整焊接参数。择优的，采用真空电子束焊接设备进行焊接后，结构可达到设计要求的焊接强度。

第三步，装配模型段1，支杆段2和夹具3，通过真空电子束焊接实现天平模型段1与支杆段2的连接。为保证装配质量，需要对装配体中模型段1和支杆段2的同轴度进行检测，对焊接面a16和焊接面b24的平面度和接触面积进行检测。焊接后需要进行结构进行热处理，消除焊接应力，并去除焊接表面余量。

第四步,精加工阻力元件3，弹片阵列4,垂直槽a，垂直槽b和其它外部结构。完成精加工后要对结构进行时效处理，对焊接部位进行无损探伤，确保焊接质量。

所述的垂直槽a15和垂直槽b23分别通过第二步和第四步加工而成。

所述的隔离槽5位于内部的结构需要在实施焊接工艺前精确加工完毕，因为在焊接后即无法再对内部结构进行加工。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。