靜力試驗空間變形分析方法

鄧長華,王 珺,吳 丹,袁軍社

(液體火箭發(fā)動機技術重點實驗室,陜西 西安 710100)

0 引言

液體火箭發(fā)動機機架[1-3]是連接發(fā)動機與箭體的關鍵傳力結構,是典型的承載結構件,機架的強度、剛度在通過強度設計、計算后,必須經過靜力試驗[4-5]來考核和驗證,或者批產后,通過靜力試驗來檢驗材料、生產過程和工藝方法是否滿足設計要求,產品是否滿足投入使用的條件。在機架靜力試驗中,通常在結構關鍵位置布置位移傳感器來測量加載過程中機架的變形,變形過大則機架的剛度可能不滿足要求。試驗時同時還需要在夾具多個部位布置位移傳感器,以監(jiān)測夾具變形,一方面預防因夾具安裝不牢或是剛度不夠導致試驗失敗,另一方面為獲取機架本身凈位移做準備。當對試驗所測的位移數據進行分析時,一般通過逐點查看數據,并在測點圖中查找相應測點的位置,以判斷試驗數據是否正常,試驗過程是否正常[6-8]。由于試驗中位移傳感器較多,無法直觀、快速查找到可能存在的異常測點[9],同時由于無法可視化使得分析機架整體變形存在一定的困難。

為了直觀地分析機架在靜力試驗中的整體變形過程,以快速確定試驗數據及試驗過程是否有效,本文提出一種靜力試驗結構空間變形分析方法,利用結構的幾何位置及測點的位移信息,通過空間坐標重構[10-12]連續(xù)再現結構在加載過程中的三維變形過程,形成三維變形動畫,為了推廣和使用該方法,基于Matlab軟件平臺開發(fā)了機架靜力試驗空間變形分析軟件。

1 空間變形分析原理

機架在靜力試驗中通常在關鍵位置布置多個位移測點,以測量加載過程中關鍵點的位移,布置位移傳感器的測點可視作一個節(jié)點,定義節(jié)點在直角坐標系下的幾何坐標為X0，Y0，Z0,某一加載級i下所測的測點位移值分別為Dxi，Dyi，Dzi,則在該加載級下節(jié)點的位移坐標Xi，Yi，Zi可以根據下式進行重構

(1)

式中k為變形縮放因子,用于對實際位移值進行縮放,以便于觀察變形。當k=1時,Xi，Yi，Zi為當前加載級下結構的實際位移坐標。為便于觀測,k值通常大于1,此時Xi，Yi，Zi定義為當前加載級下結構的觀測位移坐標。根據節(jié)點觀測位移坐標值重新繪制幾何圖形,可以獲得當前加載級下的結構變形圖。

靜力試驗中,有時采用柱坐標進行測點布局,這時需要對測點進行坐標變換,將柱坐標系下的節(jié)點坐標變換到直角坐標系下,變換算法如下

(2)

式中R0和θ0分別為柱坐標系下節(jié)點半徑和角度。相應的需要對所測的位移值進行變換,變換公式如下

(3)

式中Ri和Zi分別為加載級i下所測的節(jié)點徑向和軸向位移。

2 軟件設計

2.1 界面設計

為便于直觀、方便快捷地分析機架在靜力試驗過程中的空間變形過程,基于空間變形分析原理,開發(fā)了靜力試驗空間變形分析軟件。

在進行軟件設計時,利用Matlab軟件平臺進行圖形界面設計[13-15]和算法編程,并最終編譯成可脫離Matlab軟件獨立運行的可執(zhí)行程序。靜力試驗空間變形分析軟件包含3個界面：主界面、幾何建模界面和坐標變換界面,分別如圖1～圖3所示,其中幾何建模界面和坐標變換界面通過主界面菜單調用。

空間變形分析軟件主界面如圖1所示,主要提供文件輸入、輸出及結構變形顯示等功能。軟件由文件輸入區(qū)、變形圖區(qū)和工況區(qū)組成。根據用戶使用習慣,界面左側設置文件輸入區(qū),包含幾何文件和工況文件輸入,并顯示工況文件、節(jié)點和幾何關系;界面中部為變形圖區(qū),設置結構變形繪圖窗口,變形繪圖窗口提供幾何預覽以及變形顯示功能,變形圖右側設置圖形控制按鈕;界面底部為工況區(qū),用戶可以直接在該區(qū)對加載級進行預覽,拖動光標,可以按載荷步同步顯示結構變形。

圖1 軟件主界面Fig.1 Main interface of the software

幾何建模界面如圖2所示。幾何模型為線框模型,界面左側為幾何模型顯示和圖形控制按鈕區(qū),界面右側為幾何節(jié)點和線段建立、編輯區(qū)。

圖2 幾何建模界面Fig.2 Interface of geometric modeling

坐標變換界面如圖3所示。該子模塊應用于位移傳感器按柱坐標系而非直角坐標系布置時的數據轉換。界面左側為幾何模型輸入和測點顯示區(qū);界面中間為柱坐標系下的測點位移數據輸入和測點顯示區(qū);界面右側為設置及轉換區(qū)。

圖3 坐標變換界面Fig.3 Interface of coordinate transformation

2.2 功能設計

軟件主要包括幾何建模、工況構建和結構變形顯示等3個功能模塊。

幾何建模提供了兩種方法,第一種為采用圖2所示的交互式界面建立,第二種為直接建立圖4格式的表格文件。幾何建模采用點、線方式來創(chuàng)建結構的試驗線框模型。幾何模型保存格式為*.xls表格文件。

圖4 幾何模型表文件Fig.4 Table of geometric model

工況構建提供工況文件的生成功能,該文件為*.xls表格文件,包括“Sheet1”和“Sheet2”2個表格,其中“Sheet1”為加載級,如圖5所示;“Sheet2”為該工況下測點的位移信號,如圖6所示。

圖5 加載級表格文件Fig.5 Table of loading levels

圖6 位移測量數據表格文件Fig.6 Table of displacement measurement data

由于結構變形分析在直角坐標系下進行,因此位移信號也必須是直角坐標系下的信號。針對位移傳感器在柱坐標系下布置的情況,設計了坐標變換模塊(圖3),利用該模塊可自動將柱坐標系下的位移信號轉換到直角坐標系下。在該模塊中,每個幾何測點對應2個柱坐標系下的測點,其中R為徑向位移、Z為軸向位移,θ為徑向位移傳感器與直角坐標系的X軸夾角(取值范圍為0～90°)。針對不同工況,只要位移傳感器不變,可以保存某一個工況的設置文件,其他工況可以直接調用該設置文件,以避免重復操作,該設置文件形式如圖7所示。

圖7 坐標變換設置文件格式Fig.7 File format settings of coordinate transformation

3 應用示例

某發(fā)動機機架靜力試驗包含3個工況：0度、+6°和-6°工況,每個工況有3個載荷,加載級為0～12,其中0級和12級為零位。試驗設置14個位移測點,按柱坐標系布置28個位移傳感器。

在機架變形分析時,首先建立機架幾何模型,幾何模型由14個節(jié)點和20條線段構成;然后分別將3個工況下所測的位移信號轉換到直角坐標系下;最后將幾何模型和3個工況文件導入到軟件中,通過下拉列表選擇相應的工況,拖動鼠標可同步顯示機架的變形過程,如圖8所示。

圖8 機架變形顯示Fig.8 Deformation display of the frame

將文件保存,其中保存的文件包括3個*.doc格式的文檔文件和3個*.avi格式的視頻文件,分別對應3個工況。文檔文件為3個不同工況下每一加載級下的機架變形靜態(tài)圖,視頻文件為3個不同工況下的變形動畫。

圖9為-6°工況下第7加載級時的機架變形靜態(tài)圖,圖中除了顯示當前加載級下機架整體變形外,同時給出了當前最大位移的測點代號、測點方向及位移值,并且以綠色加亮方塊顯示當前最大位移的測點位置。

圖9 變形顯示文檔文件示例Fig.9 Example of deformation display document

圖10為-6°工況機架變形過程的動畫文件截圖,動畫文件按加載級順序動態(tài)顯示機架的整體三維變形過程,同時顯示當前加載級最大位移的測點位置、測點代號、測點方向及位移值。

圖10 變形顯示視頻文件示例Fig.10 Example of deformation display video

4 結語

針對機架在靜力試驗中無法直觀顯示整體變形的情況,提出了靜力試驗結構空間變形分析方法,從原理、軟件設計及應用示例等方面進行了論述。結果表明：靜力試驗空間變形分析軟件以*.xls表格作為輸入文件,操作方便,且輸出為*.doc文檔文件和*.avi視頻文件,文檔文件可以方便地插入到試驗分析報告中,視頻文件可以逐級查看結構的三維變形過程,為試驗現場直觀分析結構整體變形、快速查找位移測量異常點提供了一種快捷方法。