本發(fā)明屬于航空航天測力試驗氣動力測量技術領域，尤其是多分量、低沖擊、高精度、大載荷阻力測量時，利用結構優(yōu)化設計和焊接加工工藝，改善天平阻力元件和彈片陣列及隔離槽上的應力分布，避免應力集中帶來的強度問題和疲勞問題，提高應變天平在風洞試驗中的整體性能。

背景技術：

在風洞測力試驗中，風洞試驗的安全性、應變天平的整體性能一直是研究人員關注的問題。尤其是低沖擊、高精度、大載荷阻力測量時，天平測量元件特別是阻力元件和彈片陣列及隔離槽容易產生較大應力集中。在經歷大量試驗后可能導致天平強度不足或疲勞失效等問題。

受設計條件和加工方法限制，一般桿式天平阻力元件和彈片陣列無法有效消除應力集中現象，隔離槽為非對稱直面斜槽，斜槽根部容易生產較大應力，并且嚴重的結構非對稱會導致較大的應力梯度和溫度梯度，對測力信號的不確定度產生不利的影響，并且難以在天平粘貼、校準等后期工作中采取有效措施進行修正。某些天平的彈片陣列通過改變各組彈片的厚度可在一定程度上使某個分量的應力分布更加均勻，但不能根本上解決多分量同時作用時產生的嚴重應力不均勻問題。尤其是在多分量、低沖擊、高精度、大載荷阻力測量時，這種應力集中現象特別明顯，而且難以消除。不僅使天平設計難度增大，而且給風洞試驗帶來了巨大的安全隱患。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的是為了風洞試驗中應變天平阻力結構的應力集中問題，提供一種應力分布優(yōu)化的天平阻力元件結構與方法，采用分體結構設計優(yōu)化方案、分步加工裝配、焊接成型的研制方法，改善天平體應力分布情況，提高天平安全性和穩(wěn)定性。

為了實現上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是：

一種應力分布優(yōu)化的天平阻力元件結構，包括均為l形的模型段和支桿段，所述模型段和支桿段的l形相互契合形成一個整體的圓柱結構，所述模型段沿著軸向設置有m形凹槽，所述支桿段沿著軸向設置有v形凸槽，所述模型段的m形凹槽與支桿段的v形凸槽相互契合，所述模型段與支桿段沿著軸向接觸面通過焊接為一體，所述模型段與支桿段沿著徑向相互不接觸構成與軸向垂直的槽，所述模型段上沿著軸向在m形凹槽兩側對稱設置有等應力的阻力元件和彈片陣列；

天平阻力元件分布優(yōu)化的方法，包括以下步驟：

第一步，按照給定載荷對天平阻力元件結構進行模型端和支桿端分體設計與優(yōu)化，通過對銳邊倒圓角及結構圓滑過渡的流線形設計，使天平體應力梯度減小，設計合適的夾具；

第二步，分別加工模型段，支桿段和夾具，其中模型段與支桿段采用精加工內部結構，使得包括m形凹槽、v形凸槽、各個內表面光滑，每一個面與面之間圓潤倒角實現平滑過渡；

第三步，裝配模型段，支桿段和夾具，通過焊接實現天平模型段與支桿段的連接；

第四步,精加工阻力元件、彈片陣列、以及位于阻力元件和彈片陣列兩端的垂直槽。

在上述技術方案中，所述彈片陣列由在模型段上掏取出若干連續(xù)的片狀結構構成，所述阻力元件由在模型段上掏取出的結構構成。

在上述技術方案中，在模型段上掏挖后的彈片陣列和阻力元件設置在弧形槽內，所述每一個彈片均為弧形結構。

在上述技術方案中，所述若干個片狀結構中相鄰兩個片狀結構之間的間距、每一個片狀結構的大小、厚度均不相等。

在上述技術方案中，所述阻力元件設置在彈片陣列中，所述彈片陣列分布在阻力元件的兩側。

在上述技術方案中，所述模型段m形凹槽內的兩個側邊上分別沿著軸向設置有內凹槽，每一個內凹槽與模型段上的一個彈片陣列相鄰。

在上述技術方案中，所述內凹槽的一個面為弧形。

在上述技術方案中，所述模型段上m形凹槽與支桿段的v形凸槽相互契合時兩者之間設置有空隙，空隙使得模型段與支桿段形變后不觸碰。

在上述技術方案中，所述m形凹槽和v形凸槽的各個邊緣均為圓弧結構避免應力集中。

在上述技術方案中，所述的m形梁的切削部分位于模型段，長度小于模型段總長，截面不等但平滑過渡，通過設置圓角避免應力集中。

在上述技術方案中，所述的v形梁的切削部分位于支桿段，長度小于支桿段總長，截面不等但平滑過渡，通過設置圓角避免應力集中。

在上述技術方案中，所述模型段與支桿段之間由至少由兩塊金屬結構且至少兩組焊接面焊接后成為一個整體，所述的焊接面為等長矩形平面。

本發(fā)明的工作原理是：以材料力學、彈性力學理論為基礎，通過結構等強度設計優(yōu)化和倒圓角消除應力集中的方法，達到結構應力分布優(yōu)化的目的。由于所述的應力分布優(yōu)化的天平阻力元件結構內部存在相互插入的隔離槽，難以整體加工，提出了分體設計并焊接成型的制造工藝。在結構設計時，對于尖角、棱角等幾何突變位置倒圓角消除應力集中；對于承受載荷的梁采用圓滑的連續(xù)變截面，使得結構應力分布趨于一致，不會出現某一部位應力過大的情況。制造工藝的核心思想是將復雜的內部隔離槽加工分解為容易加工的零件，焊接前精確加工內部結構，焊接后再加工外部結構，避免了焊接變形的問題。

綜上所述，由于采用了上述技術方案，本發(fā)明的有益效果是：

一是避免了天平結構應力集中現象，提高了天平的強度和疲勞壽命，提高了風洞試驗的安全性。二是天平結構應力分布均勻化，提高結構的承載能力和系統(tǒng)剛度，有利于提高天平使用性能。三是通過分體設計進一步提高了天平結構設計的靈活性，有利于發(fā)揮設計優(yōu)勢，降低了設計難度。四是焊接成型的加工工藝解決了天平阻力元件加工難題，實現了復雜內部結構的加工。

附圖說明

本發(fā)明將通過例子并參照附圖的方式說明，其中：

圖1是本發(fā)明的結構正視圖；

圖2是圖1的b-b剖視圖；

圖3是圖1的a-a剖視圖；

圖4是本發(fā)明的結構示意圖；

圖5是本發(fā)明中的模型段結構示意圖；

圖6是圖5的仰視圖；

圖7是本發(fā)明中的支桿段的結構示意圖；

圖8是圖7的俯視圖；

圖9是圖7的左視圖

圖10是裝夾后的結構示意圖；

圖中：1.模型段，11.m形梁，12.內弧形槽，13.外弧形槽，14.圓角a，15.垂直槽a，16.焊接面a,2.支桿段，21.v形梁，22.圓角b，23.垂直槽b，24.焊接面b，3.阻力元件，4.彈片陣列，41.橢圓槽，5.隔離槽，6.夾具。

具體實施方式

本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。

如圖1至圖4所示，是本發(fā)明的一種應力分布優(yōu)化的天平阻力元件結構示意圖；本發(fā)明所述的一種應力分布優(yōu)化的天平阻力元件結構主要包括模型段1，支桿段2，阻力元件3，彈片陣列4和隔離槽5，所述的模型段1與支桿段2只通過所述的阻力元件3和彈片陣列4相連，在結構內部設置有隔離槽5；所述的模型段設置有m形梁11，內弧形槽12，外弧形槽13，所述的支桿段設置有v形梁21；所述的隔離槽5通過所述的m形梁11和v形梁21融合而成；所述的應力分布優(yōu)化的天平阻力元件結構設置的阻力元件3，彈片陣列4，m形梁11，v形梁21和隔離槽5關于縱向中心面對稱。

圖5、圖6是本發(fā)明的模型段示意圖，結合圖1至圖4，所述的m形梁11的切削部分位于模型段1，截面呈“m”狀，長度小于模型段1總長，截面不等但平滑過渡，通過設置圓角a14避免應力集中；所述的m形梁11設置有內弧形槽12、外弧形槽13和橢圓槽41，用于形成等應力的阻力元件3和彈片陣列4；端部設置垂直槽a15，用于形成隔離槽5；設置有兩個在同一水平面的矩形焊接面a16。

圖7、圖8、圖9是本發(fā)明的支桿段示意圖，結合圖1至圖4，所述的v形梁21的切削部分位于支桿段2，截面呈“v”狀，長度小于支桿段2總長，截面不等但平滑過渡，通過設置圓角b22避免應力集中；端部設置垂直槽b23，用于形成隔離槽5；設置有兩個在同一水平面的矩形焊接面b24。

圖10是本發(fā)明的焊接裝配示意圖。所述的夾具6夾持模型段1和支桿段2，用于控制焊接變形，并且不影響焊接工序。所述的焊接面b24的大小與焊接面a16相同，裝配后在同一水平面。

下面參照圖1-10進一步說明本發(fā)明所述的一種應力分布優(yōu)化的天平阻力元件結構的實施方案：

所述的一種應力分布優(yōu)化的天平阻力元件結構高強度彈性合金鋼材料通過一定的步驟方法設計加工而成，由至少由兩塊金屬結構且至少兩組焊接面焊接后成為一個整體。所述的隔離槽5無銳邊銳角，m形梁11與v形梁21之間有一定空隙，在設計載荷作用下變形后不會使模型段與支桿段觸碰。

所述的圓角a14和圓角b22的曲率半徑應該足夠大，否則不能有效消除應力集中。

所述的夾具6在夾緊固定之前，要保證模型段1與支桿段2配合面適宜，尤其是其同軸度、接觸面的平面度，要保證焊接面a16和焊接面b24的接觸達到85%以上。為保證裝配質量，還可以設計其它工裝進行輔助。

所述一種應力分布優(yōu)化的天平阻力元件結構方法的具體實施步驟是：

第一步，按照給定載荷對天平阻力元件結構進行模型段1和支桿段2分體設計與優(yōu)化，通過對銳邊倒圓角及結構圓滑過渡的流線形設計，使天平體應力梯度較小，設計合適的夾具6。在設計m形梁11和v形梁21時，根據天平設計載荷確定沿軸向截面變化的幅度。一般在力矩參考中心截面最小，并且各截面應對稱于縱向中心平臺和垂直中心平面。m形梁11與v形梁21也可設計成其它多峰結構，但其間隙應該足夠并且相互適應，不得在任何情況下接觸。

第二步，分別加工模型段1，支桿段2和夾具3，其中模型段1與支桿段2精加工內部結構，包括m形梁11、內弧形槽12、圓角a14、垂直槽a15、焊接面a16、v形梁21、圓角b22、垂直槽b23、焊接面b24。按相應厚度加工焊接試件，以調整焊接參數。擇優(yōu)的，采用真空電子束焊接設備進行焊接后，結構可達到設計要求的焊接強度。

第三步，裝配模型段1，支桿段2和夾具3，通過真空電子束焊接實現天平模型段1與支桿段2的連接。為保證裝配質量，需要對裝配體中模型段1和支桿段2的同軸度進行檢測，對焊接面a16和焊接面b24的平面度和接觸面積進行檢測。焊接后需要進行結構進行熱處理，消除焊接應力，并去除焊接表面余量。

第四步,精加工阻力元件3，彈片陣列4,垂直槽a，垂直槽b和其它外部結構。完成精加工后要對結構進行時效處理，對焊接部位進行無損探傷，確保焊接質量。

所述的垂直槽a15和垂直槽b23分別通過第二步和第四步加工而成。

所述的隔離槽5位于內部的結構需要在實施焊接工藝前精確加工完畢，因為在焊接后即無法再對內部結構進行加工。

本發(fā)明并不局限于前述的具體實施方式。本發(fā)明擴展到任何在本說明書中披露的新特征或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組合。