慣性平臺(tái)熱分析與熱變形試驗(yàn)研究吳亞明,陳仲恒,王佳民(中國航天科技集團(tuán)第16研究所,陜西西安710100)Thermal Analysis of inertial Platform and Heat Distortion TestWU Ya- ming, ChEn Zhong- heng, WANG Jia-min(The 16th Institute of China Aerospace Science and Technology Corporation, Xi'an 710100, China摘要:從溫度場角度,就溫度變化對平臺(tái)裝配精屬六面體作為裝配基準(zhǔn)的,當(dāng)平臺(tái)正常工作時(shí),溫度度、軸承預(yù)緊等方面所產(chǎn)生的影響進(jìn)行了分析,并對升高,金屬六面體的安裝精度發(fā)生了變化,而以此為平臺(tái)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行了熱分析及熱變形試驗(yàn),為平臺(tái)基準(zhǔn)裝配的棱鏡、測漂鏡、加速度計(jì)、陀螺儀和傳感動(dòng)態(tài)測試參數(shù)超差問題的解決提供了一定的依據(jù)。器的安裝精度也會(huì)發(fā)生變化,從而影響了平臺(tái)系統(tǒng)關(guān)鍵詞:慣性平臺(tái)系統(tǒng);熱分析;熱變形;有限元的精度和穩(wěn)定性。熱變形還會(huì)影響軸和軸承之間的中圖分類號:TH161配合,使得軸與軸承之間的配合間隙發(fā)生變化.這樣文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A軸承的預(yù)緊力就會(huì)變大或者變小。而預(yù)緊力的大小文章編號:1001-2257(2006)12-0016-04對軸承的性能有著極為重要的影響:預(yù)緊力過大Abstract: This paper carry a analysis through然可以獲得較高的軸向剛度及抗卸載能力,但卻使thermal field, considering the influence of tempera-軸承的摩擦力矩陡增,而且容易出現(xiàn)“死點(diǎn)”;預(yù)緊力ture movement, conducted an heat distortion test過小,雖然摩擦力矩小了,但軸向剛度減少,在較大experiment of the transformation problem of flat的加速度作用下容易發(fā)生卸載,出現(xiàn)間隙。因此assembly accuracy and bearing preloaded force.熱變形使得軸承的摩擦力矩發(fā)生變化,從而使平臺(tái)Then the problem is solved of instruments on在測試時(shí)精度不符合要求。which severally improve on a certain extent2臺(tái)體組件熱分析Key words: inertial platform system; thermalnalysis; heat distortion; finite element2.1有限元分析模型和邊界條件的確定運(yùn)用UG創(chuàng)建了臺(tái)體組件的幾何模型,對于臺(tái)0引言體的一些小孔作了簡化,一些不是很重要的曲面也作了改動(dòng),這樣方便進(jìn)行有限元求解,然后把它導(dǎo)入在對慣性平臺(tái)進(jìn)行附加漂移杋理分析時(shí),發(fā)現(xiàn)有限元分析軟件得到其有限元模型軸系間隙的大小也是影響平臺(tái)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)精度的原因文中所要做的分析是平臺(tái)正常工作時(shí)的穩(wěn)態(tài)熱之一。平臺(tái)的裝配是在室溫下進(jìn)行的,裝配尺寸、公分析,臺(tái)體的邊界條件取決于其工作時(shí)候的情況差及預(yù)緊力都滿足要求,而在平臺(tái)通電后,由于發(fā)熱通過初步試算分析后,采用如表1所示的邊界條件。以及平臺(tái)材料膨脹系數(shù)的不一致必將引起熱應(yīng)力及表1慣性平臺(tái)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)加載明細(xì)表熱變形,進(jìn)而引起軸系預(yù)緊力變化,從而影響了平臺(tái)對流輻射系統(tǒng)的精度和性能。位置溫度對流系數(shù)溫度值輻射溫度值W/m2)(C)函數(shù)(C1熱變形對平臺(tái)精度的影響中國煤化工400.840內(nèi)框Vu0.8對于液浮平臺(tái)來說,溫度的變化對平臺(tái)的精度CNMHG 35外框架和穩(wěn)定性影響是很大的。平臺(tái)裝配是在室溫下以金其它位陀螺收稿日期:2006-05-30加速度表·16《機(jī)械與電子》2006(12經(jīng)過程序計(jì)算得岀平臺(tái)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的溫度場分布是低溫端的溫度載荷;最高溫度為55.90℃,位于Z如圖1所示。其中,最高溫度為56.004℃,最低溫向陀螺的頂端度為30.008C2。圖2臺(tái)體組件溫度場分布圖1平臺(tái)框架傳遞系統(tǒng)溫度場分布2.3臺(tái)體組件熱應(yīng)力場分析通過對平臺(tái)框架傳遞系統(tǒng)的溫度場分析可以得通過臺(tái)體組件的溫度場分析,可得到各個(gè)單元到臺(tái)體上下軸面的溫度值。分別在上下軸面上取8工作時(shí)的溫度值,此溫度值與初始溫度值相比有了個(gè)點(diǎn),其溫度值如表2所示。變化。將此溫度結(jié)果讀入結(jié)構(gòu)分析模塊,作為溫度表2臺(tái)體上下軸面面溫度取值表載荷在結(jié)構(gòu)分析中加上位置約束條件,設(shè)定組件中測溫點(diǎn)12345678平均值臺(tái)體上下軸面的位移值為零,再進(jìn)行分析,就可求得上軸面50.750.9850.9850.80506050.6350.6550.9550.82熱應(yīng)力值。經(jīng)過分析得出應(yīng)力分布如圖3所示下軸面52.1252.1652.1851.8551.8051.8251.9152.1051.99由表2可知,上下軸面上的8個(gè)平均分布的點(diǎn)的溫度的差值都在0.3C以內(nèi),因此,可以取其平均值作為臺(tái)體組件的溫度場分析的邊界條件。2.2臺(tái)體組件溫度場分析在對平臺(tái)框架傳遞系統(tǒng)進(jìn)行了溫度場分布分析以后,就可以以其結(jié)果作為邊界條件,分析其中的臺(tái)體組件的溫度場,為進(jìn)行臺(tái)體組件的熱應(yīng)力分析做準(zhǔn)備。臺(tái)體組件的材料是鋁和鈦合金,加載情況如表3所示圖3臺(tái)體組件熱應(yīng)力場分布表3臺(tái)體組件加載明細(xì)表由計(jì)算結(jié)果可以得出以下2點(diǎn)結(jié)論對流輻射位置(C)系數(shù)a.應(yīng)力的最大值是340MPa,應(yīng)力的最大值出值輻射溫度值(W/m2)(C)函數(shù)現(xiàn)在位置約束面上。結(jié)構(gòu)中的引起應(yīng)力集中的圓孔H輝號其它位部位的應(yīng)力值也很大。而一般部位的應(yīng)力值大小范上軸面50,80圍在0.1~10MPa之間,應(yīng)力值明顯增大?？偟膩硐螺S面52.06陀螺說,臺(tái)體組件的熱應(yīng)力場還是比較好的b.加速度表通過鈦合金的隔熱墊與臺(tái)體相連臺(tái)體、陀螺、加速度表的邊界條件處理和平臺(tái)結(jié)由于材料屬性的不同,導(dǎo)致產(chǎn)生不同的熱變形,因此構(gòu)系統(tǒng)溫度場分析中的一樣,只是簡化了傳熱網(wǎng)絡(luò),存在中國煤化工。MPa左右。而陀螺低溫邊界條件由臺(tái)體上下軸面來提供。計(jì)算得到臺(tái)安裝CNMH面的應(yīng)力值小,大小在體組件的溫度場分布如圖2所示。從圖2可以看出1MPa左右以下幾點(diǎn):臺(tái)體組件的溫度場分布中,最低溫度為臺(tái)體組件的熱變形如圖4所示,臺(tái)體組件的熱50.82℃,出現(xiàn)在臺(tái)體與臺(tái)體上軸的接觸面處,也就位移如圖5所示?！稒C(jī)械與電子》2006(12)試驗(yàn)的試驗(yàn)對象,按照正常的技術(shù)狀態(tài)貼上2片加熱片,安裝1個(gè)熱敏繼電器,以及3塊加速度計(jì)和3塊陀螺。試驗(yàn)時(shí),將試驗(yàn)臺(tái)體通過隔熱材料放于平板上,然后將臺(tái)體上的加熱片引線與PZ-21C總裝測試儀(以下簡稱測試儀)后面板的臺(tái)體溫控接線柱相連,然后將千分尺的測試頭與臺(tái)體上的軸安裝面相接觸,并將千分尺調(diào)到零位,作為初始位置,此時(shí)給測試儀通電,臺(tái)體組合件將通過加熱片及表頭加熱,由此觀察臺(tái)體在軸向由于受熱產(chǎn)生的變形量圖4臺(tái)體組件熱結(jié)構(gòu)耦合變形當(dāng)臺(tái)體組合件各表頭溫控到溫時(shí)(通過測試儀上的臺(tái)體加熱指示燈判斷),記錄下此時(shí)千分表的位移量,作為最大的變形量δmx;然后將測試儀斷電使臺(tái)體組合件自然冷卻,變形量將逐漸減小,并觀察最終值能否回復(fù)到初始位置,試驗(yàn)時(shí),共采取了4種方案來考察臺(tái)體的軸向熱變形量。這4種方案分別是:方案1,將臺(tái)體(僅裝有2片加熱片)直接放在平板上;方案2,在臺(tái)體(僅裝有2片加熱片)與平板之間加一隔熱墊(材料為鈦合金);方案3,在臺(tái)體(僅裝有2片加熱片)與圖5臺(tái)體組件熱位移平板之間加一弧形板(材料為膠木板);方案4.將臺(tái)從圖4和圖5可以看出,由于溫度的升高,臺(tái)體體組合件直接放在平板上組件上的變形情況也不一樣,圖中的最大位移值為3.2試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果分析0.1700mm,出現(xiàn)在Z陀螺上,臺(tái)體上的位移最大按照以上4種方案,分別進(jìn)行了相應(yīng)的加熱試值相應(yīng)的出現(xiàn)在Z陀螺安裝面離中心最遠(yuǎn)處,大小驗(yàn),數(shù)據(jù)如表4所示。為0.1287mm。在對臺(tái)體組件進(jìn)行熱分析時(shí),對表44種方案在不同位置時(shí)的熱變形量mm臺(tái)體上下軸承安裝面施加了零位移約束條件,通過方案位置Ⅱ位置Ⅳ應(yīng)力場分布圖可知,在安裝面上產(chǎn)生了很大的熱應(yīng)0.0580.058力,這種熱應(yīng)力在實(shí)際平臺(tái)工作時(shí)必將作用于軸系0.064上,引起軸系裝配尺寸的變化,從而影響了軸承的預(yù)0.064緊力和摩擦力矩。所以在下一節(jié)做一個(gè)熱變形試從表4可以得出,4種方案下臺(tái)體軸向均有明驗(yàn),模擬裝配時(shí)的條件,實(shí)測軸承安裝面熱位移大顯的熱變形量其中在方案4中,熱變形量最大,達(dá)小,以對這種影響的大小有個(gè)量的確定。到0.072mm。因此,由試驗(yàn)可知,臺(tái)體軸向尺寸在臺(tái)體的熱變形試驗(yàn)加熱與非加熱2種狀態(tài)下有0.058~0.072mm的變化量在上面的臺(tái)體組件熱分析的基礎(chǔ)之上,進(jìn)行了在4種方案中,方案4的狀態(tài)最接近實(shí)際情況個(gè)臺(tái)體的熱變形試驗(yàn),通過對平臺(tái)臺(tái)體進(jìn)行4種(6塊表頭與加熱片同時(shí)加溫),整個(gè)臺(tái)體組合件的方式的加熱試驗(yàn),來考察臺(tái)體軸向的熱變形量得出發(fā)熱量最大,所以它的變形量最大;而其余3種方了在4種不同方式的加熱狀態(tài)下的軸向熱變形量大案中國煤化工熱量相對較小,所以變小,為后面有限元分析的提供條件,并為溫度對臺(tái)體形量CNMHG軸向尺寸的影響程度提供一個(gè)可靠依據(jù)。3.1試驗(yàn)對象和試驗(yàn)方法4臺(tái)體熱位移有限元分析試驗(yàn)中,選取了一件工藝臺(tái)體組合件作為這次在對臺(tái)體組件進(jìn)行了熱分析和對臺(tái)體進(jìn)行了熱《機(jī)械與電子》2006(12變形試驗(yàn)以后,應(yīng)用有限元軟對臺(tái)體進(jìn)行了熱位移了解決這個(gè)問題采用成對、有預(yù)緊力的角接觸球軸的有限元分析,分析狀態(tài)是模擬熱變形試驗(yàn)狀態(tài)1承來消除熱脹冷縮的影響。成對軸承以配對形式使的情況.只有2塊加熱片,上、下端面在室溫狀態(tài)下,用,在軸的毎一端裝一對軸承,其中一端內(nèi)、外圈壓求解結(jié)果如圖6所示緊.另一端內(nèi)圈與軸之間可以滑動(dòng),從而消除熱脹冷縮的影響成對軸承采用面對面或者背靠背的安裝形式。為了驗(yàn)證上面措施的有效性,對2套平臺(tái)進(jìn)行了換軸承試驗(yàn),換軸承前后的漂移誤差比較如表5所表514#平臺(tái)X軸振動(dòng)漂移測量結(jié)果(°)/h試驗(yàn)狀態(tài)Y向Z向Aur△ay△o:△cr△oy△o:△mr△ay△u換軸承前,6:4e該換軸承后00-0.0310.031圖6臺(tái)體熱位移分布從表5可以看出,換軸承后平臺(tái)的漂移明顯比原來從圖6中可知臺(tái)體的最大熱位移量為7.657好,這說明采用的措施是合理的。10-5m,最小為6.551×106m,臺(tái)體軸部分的熱變對于金屬六面體這個(gè)安裝基準(zhǔn)而言,原來使用形量取了4個(gè)點(diǎn),分別為:4.905×10-5m,4.496×3個(gè)固定螺釘,而且是同一個(gè)旋向在這種情況下,誤105m,4.152×105m,3.810×105m。與上面差有時(shí)高達(dá)3,現(xiàn)在使用4各固定螺釘,2個(gè)左旋,2熱變形試驗(yàn)測的的結(jié)果相比,可以看到它們都在個(gè)右旋,很好的解決了這個(gè)問題使精度達(dá)到了指標(biāo)個(gè)數(shù)量級,基本上吻合,這說明分析模型建的比較合要求。理,分析結(jié)果可信。綜合上面的有限元分析結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果,可以6結(jié)束語看出在平臺(tái)正常工作狀態(tài)下臺(tái)體軸由于受熱會(huì)發(fā)生通過分析熱變形對平臺(tái)系統(tǒng)精度和穩(wěn)定性的影變形,這使得在室溫環(huán)境下裝配的平臺(tái)裝配精度發(fā)響,確定對平臺(tái)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行熱分析和熱設(shè)計(jì)的必生了變化,臺(tái)體受熱變形還將導(dǎo)致金屬六面體的安要性,通過對平臺(tái)臺(tái)體組件進(jìn)行的熱分析,得到了其裝精度發(fā)生變化,從而使以金屬六面體為安裝基準(zhǔn)在正常工作條件下的溫度場和熱應(yīng)力的大小。進(jìn)行的其它慣性儀表的安裝精度也跟著發(fā)生變化軸系了臺(tái)體熱變形試驗(yàn),試驗(yàn)表明臺(tái)體軸在正常工作條間的配合間隙也會(huì)發(fā)生了變化,使得軸承的摩擦力件下將產(chǎn)生一定的熱變形,進(jìn)而對平臺(tái)臺(tái)體進(jìn)行了矩增大或者減小,這些變化使得平臺(tái)的漂移誤差加熱位移的有限元分析,分析結(jié)果和熱變形試驗(yàn)結(jié)果大,為了減小這種誤差,必須對此進(jìn)行改進(jìn)比較吻合,從而驗(yàn)證了溫度場有限元分析的合理性;5減小熱變形影響的改進(jìn)措施最后,從平臺(tái)裝配工藝上提出一些減小熱變形影響的具體措施,實(shí)驗(yàn)證明文中所提岀的改進(jìn)措施對提慣性平臺(tái)軸承支承平臺(tái)框架組件,在較強(qiáng)的振高平臺(tái)的動(dòng)態(tài)性能具有明顯的效果動(dòng)、沖擊條件下以低速(擺動(dòng))工作。要求軸承做到高的定位精度以及極低摩擦力矩,屬高精度的靈敏參考文獻(xiàn)軸承。同時(shí)還要求軸承具有較高的軸向和徑向剛波.慣性平臺(tái)軸承預(yù)緊力及其剛度的分析度,盡量做到平臺(tái)3個(gè)框架軸向的等剛度。而且具國慣性技術(shù)學(xué)報(bào),1998,6(4):38-42有自潤滑的能力中國煤化工熱力學(xué)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)由于受熱,其軸將向外傳導(dǎo)熱量,使得軸承CNMH(院,2005和軸之間的配合間隙發(fā)生變化,配合間隙的變化使得軸承的預(yù)緊力有了變化,對軸承施加預(yù)緊力有許作者簡介:吳亞明(1979-),男,陜西武功人,中國航天科多好處,但是預(yù)緊力過大或過小都有不好的一面,為技集團(tuán)第16研究所碩士,研究方向?yàn)閼T性平臺(tái)技術(shù)《機(jī)械與電子》2006(12)