[发明专利]一种高、低温天平分析方法及分析系统

权利要求书

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，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；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，所述干扰输出值应控制在10％以内，所述强度的具体要求是：最大应力小于天平材料的屈服强度极限值除以安全系数；

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：

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。

5.根据权利要求1到4中任意一项所述的方法，其特征在于，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。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，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。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述预定百分比为0.2％。

8.一种高、低温天平流-热-固耦合分析系统，其特征在于，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，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，并据此获得高、低温天平的结构形式；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，所述干扰输出值应控制在10％以内，所述强度的具体要求是：最大应力小于天平材料的屈服强度极限值除以安全系数；

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。