垂直加载校准系统龙门框架的结构设计

（题目：题目：垂直加载校准系统龙门框架的结构设计摘要垂直加载校准系统是为了检测火箭发动机药柱燃烧是否符合规律而设计的一套机构。液体火箭的发动机的推力是火箭发动机的一项关键性的性能参数，在火箭发动机的研制之中火箭发动机推力的测量时非常重要的一个环节。而垂直加载校准系统则是火箭发动机应力改变之后传递应力改变的一个基础。本课题来源于中国航天六院601所，设计垂直加载校准系统，设计垂直加载校准系统，使其能根据工艺要求进所应尽的力值传递工作。本文设计的垂直加载校准系统包括整体龙门框架结构、液压传动机构。首先本文对垂直加载系统的方案进行确认，然后利用CAXA完成垂直加载校准系统的二维装配图，并利用ANSYS对其关键结构进行有限元分析。关键词：火箭发动机；垂直加载校准；龙门框架AbstractVerticalloadcalibrationsystemisdesignedtodetectwhethertherocketmotorgrainburninglawdesignedsetofinstitutions.Liquidrocketenginethrustisacriticalperformanceparametersrocketengine,averyimportantmeasurementofrocketenginethrustinthedevelopmentoftherocketengineintoalink.Theverticalloadcalibrationsystemisafundamentalchangetopassaftertherocketenginestressstresschange.ThesubjectcomesfromtheChinaAcademyofSpace601sixdesignverticalloadcalibrationsystems,designverticalloadcalibrationsystem,sothatitcanenterthevalueofthetransferworkforcedueprocessrequirements.Designverticalloadingsystemisanapplicationofknowledgelearnedfouryearsofcollege,isoneofourmostseveretestinthepreviouswork,welearntomakebetteruseofknowledgetoactualthem.Verticalloadcalibrationsystemdesignedinthispaperincludetheoverallbodystructure,hydraulicactuators.Firstly,weplanverticalloadingsystemforconfirmation,andthenuseCAXAcompletedatwo-dimensionalassemblydrawingverticalloadcalibrationsystem,andusingANSYSfiniteelementanalysisofitskeyinstitutions.Keywords:rocketengine;verticalloadcalibration;gantryframework目录TOC\o"1-3"\h\u9316引言 引言本说明书是对火箭发动机垂直加载校准系统龙门框架结构的设计，由于火箭发动机在燃烧时燃烧室中的燃烧的成周期性的产生振荡现象，在通常的情况下伴随着燃气压力、温度和速度的振荡，一般用压力成周期性变化而产生的震荡来表示其特征。当火箭发动机内部的燃料的燃烧不稳定性时，燃料燃烧所产生的燃气压力成明显的周期性变化,且并具有较大的振幅,一般在火箭发动机的燃烧室内压力会增加5%以上,有的时候燃烧室内的压力则会增加的更多。所以当火箭发动机燃烧室内燃料的燃烧不稳定性则有可能会使发动机产生剧烈的震动和热负荷憎加，这往往有可能造成火箭发动机内部结构的破坏。而为了避免与减轻这一状况的产生则需要设计这一套垂直加载校准系统，对火箭燃烧室内压力进行校准，而这就是本次垂直加载校准系统研究的意义所在。传统的火箭推力校准一般都采取手动效验的方式，这种方式在实际的操作中有着诸多的弊端，而本次的垂直加载校准系统可以提高对火箭推力校准的效率以及保证数据的稳定性。进而需要这样一套垂直加载校准系统装置。

第一章垂直加载校准系统总体设计方案1.1垂直加载校准系统技术要求对垂直加载校准系统的龙门框架结构进行设计，合理选择型钢和材料，利用ANSYS软件对龙门框架结构进行力学分析，在结构限制的条件下，使其变形量尽量小，最终确定合理的龙门框架结构。设计技术条件、技术参数等：(1)垂直加载力(2)加载移动速度范围(3)加载力按线性变化，变化速率范围(4)加载移动行程(5)静态加载精度(6)动态加载精度(7)发动机结构尺寸为，碳纤维缠绕结构(8)加载装置安装在试车台上，通过T形槽固定(9)发动机安装在试车台后，其中心高距试车台平面高度为QUOTE，试车台底部宽度约为QUOTE。1.2加载校准系统的总体原则（1）设计垂直加载校准系统应该考虑到液压缸在工作时的各种因素，适用于对火箭发动机壳体的应力传递与调节。（2）结构稳定，能实现所要求的功能，可以用较简单的方法对其结构进行日常维护。（3）在结构刚度允许的前提下尽量降低成本，经济适用。（4）使整个结构符合国家标准，具有较高的精度，安全性能好。1.3主要研究内容以及预期目标此次研究主要在于研究如何测量质心移动的位置。由于质心是随着火箭燃烧时药柱的不断减少而随之移动，而安放于固体火箭发动机燃烧室中的药柱是具有一定几何形状和尺寸的固体推进剂，其几何形状和尺寸受到发动机的工作时间、燃烧室压力和推力的影响，这也使得药柱的结构完整性和发动机的质量比（即推进剂质量与发动机总质量之比）也受到影响。所以本次设计要进行总体考虑以完成测量质心位置移动的研究。预期目标：通过多组试验，力学分析，及理论经验，合理做出实验结果与分析，设计出最终比较出最佳方案。在结构限制的条件下，使其变形量尽量小，最终确定合理的龙门框架结构。1.4总体方案拟定因为垂直加载校准系统是一个要求精准应力传递：并且对其结构的刚度强度要求较高的系统，所以本次所设计的垂直加载校准系统结构如图1-1所示：1-1垂直加载校准系统装配图如图1-1所示，在垂直加载校准系统工作时，由轴向的液压缸提供给整个框架系统一个轴向运动的推力，而轴向液压缸的液压杆左端与鱼眼连接板相连，通过鱼眼连接板连接试车台上安装的的一个纵向的液压缸，而试车台上安装的纵向液压缸可以产生一个纵向的推力，通过试车台下端安装的加载轮给下端横梁一个纵向的压力，综上所述通过两个液压缸的配合完成整个垂直加载校准系统的工作。此机构的主要特点：(1)采用液压传动，传动平稳能达到预期目标；(1)整体结构简单、稳定；垂直加载校准系统的整体结构设计2.1龙门框架框架结构的材料选择龙门框架结构的设计，意义在于承载整个垂直加载校准系统的结构。不仅要考虑整体的结构设计方案，而且要选择和是的材料进行相关的结构力学分析。所以又要对多种材料进行调研分析。而在对多种材料进行调研之后，本次垂直加载校准系统龙门框架结构的材料选择为Q235钢。Q235又被称作为A3板是一种普通的碳素结构。普通碳素结构钢－普板是一种钢材的材质。Q所代表的意义为之中材质的屈服极限强度，而在后面的235则代表着这种材质的屈服强度为235MPa左右。同时在伴随着材料的厚度的不断增加此材料的屈服强度也随之成反比例关系变化，由于Q235的含碳量适中，综合性能相对较好，材料的强度与塑性、焊接能够得到良好的实现，所以在平时的工业生产中得到了广泛的应用。而钢材的型号本次设计选取的是200x200x16的方钢。对其进行变形程度分析如图2-1所示：图2-1Q235结构钢形变分析如图所示，可以看出在施加10000N的力的前提下，选择200x200x16的方钢，其最大形变量只有0.027，完全符合垂直加载校准系统龙门诳框架结构的刚度要求。而在调研的过程中也尝试了很多其余的材料如Q345、轴承钢、不锈钢等材料，而其钢型也调研过工字钢与矩形钢。但是由于考虑到刚度与强度要求，以及工程成本，最后本次设计依然选取了Q235B型钢。2.2等强度梁的计算与设计2.2.1等强度梁选择由于强度要求在垂直加载校准系统龙门框架结构的支架顶面的轨道梁与加载横梁采取等强度梁的设计形式。而所谓等强度梁即是所设计的梁的横截面上的所有最大正应力都相等，并且所有的最大正应力都达到了所选梁材料的最大许用应力。等强度梁在机械框架结构设计中有着许多的优势，首先在结构设计中使用等强度梁可以最大程度节省材料，最大限度的提高在设计中所选材料的利用率。其次，等强度梁能够提升结构的承载能力，使设计的框架结构更加稳定安全。最后等强度梁的使用可以节省结构本身的使用空间，并且降低所设计结构的自身重量，让结构的使用性得到提高2.2.2等强度梁的计算如上所述，本次设计要对垂直加载校准系统的横梁结构选取等强度梁形式，所以应该进行如下计算，在等强度梁的计算之中查材料力学可知：（2-1）（2-2）（2-3）由：（2-4）1、对于横梁的等强度梁设计：横梁120×80×8mmB=80mm，b=112mm，h=72mm，通过查机械设计手册得知：Q235B的许用应力在温度时，根据要求。，其函数为递增函数，当代入函数(2-4)中的最大值X=1691mm时可算出：2、对于轨道梁的等强度设计导轨梁200×150×16mmB=150mm，b=184mm，h=134mm，通过查机械设计手册得知：Q235B的许用应力在温度时，根据要求。，其函数为递增函数，当代入函数（2-4）中的最大值X=1691mm时可算出：.2.3滚动导轨的计算与选择目前，在机械结构的设计上直线滚动导轨的应用十分广泛，主要是因为滚动导轨的摩擦系数为=；动摩擦系数与静摩擦系数的值都十分接近，几乎是不受主体结构运动的速度而产生影响。而滚动导轨在运动时十分轻便、灵活，所需要的驱动功率小，因摩擦而产生的发热小，磨损小，精度可以得到良好的保持；在低速的运动时不会出现爬行现象，因此导轨的定位精度高，所以本次设计选用滚动导轨。2.3.1滑块承受工作载荷的计算影响直线滚动导轨副的使用寿命最重要的重要因素是其工作载荷。在本此设计之中的试车台为水平放置，采取双导轨、四滑块的形式来进行对力的支撑。考虑在最不利的条件下，即所有的工作载荷全部来由滑块进行承担，则在垂直方向单滑块所收到的载荷为：（2-5）其中，移动部件重量G最大不超过10000N，外加载荷代入式（2-5）中，得最大作载荷。根据工作载荷，初选直线滚动导轨副的型号为TRH35FL。TRH35FL直线导轨参数如图2-2、表2-1所示：由于试车台的要求工作行程以及龙门框架结构主体尺寸，所以选择直线导轨副的长度为1600mm。表2-1直线导轨参数型号组装规格（mm）滑轨（mm）TRH35FLHW2EW1H1hF48337.531261412980滑块尺寸(mm)WBJtLL1QT1N10082621512293M1015812图2-2直线导轨副参数2.3.2直线导轨额定寿命的计算当导轨中的以球体作为滚动体时，则计算方式如下：（2-6）式中距离额定寿命，单位为；额定动载荷，；滑块上的工作载荷,单位为；温度系数,；接触系数,导轨上的滑块数为2查相关资料；载荷系数，硬度系数，滚道硬度不得低于HRC58故通常取精度系数，精度等级4级，=0.9代入公式（2-6）计算得：==1004km远大于本次设计对其使用寿命的期望值，所以直线导轨的使用寿命满足对本次设计的要求。2.4垂直加载校准系统传动系统的选取垂直加载校准系统在力值的传递过程中采取液压传动的模式来进行，试车台以及加载轮的轴向运动由一个轴向的液压缸的液压推杆来实现，而纵向的力值传递，则由一个纵向的液压缸的加载来得到实现。之所以选择液压传动是由于其传动方式与其他传动方式相比有着很多的优势。首先，采取液压传动可以输出比其他传动方式更大的推力与扭矩，液压传动模式可以使大吨位的单位实现低俗运动，这是其他的传动方式所不能实现的，也是液压传动的突出优势之一，同时也更加适合垂直加载校准系统龙门框架结构对应力进项传输。其次，液压传动系统能够简单方便时实现运动速度的无极调速，而且有着较大调速范围，并且能够在系统进行运动的同时进行对速度的调节。最后，液压传动系统对于运动的传递十分稳定，有着较快的反应速度，方便与对运动方向的快速调节，并且液压系统可以比较简单的实现在运动过程中的云在保护，实用性高，安全可靠。综上所述，由于液压传动符合垂直加载校准系统龙门框架结构对传动系统的诸多要求，所以选择此传动方式。垂直加载校准系统关键结构有限元分析3.1ANSYSWorkbench软件简介本次设计对垂直加载校准系统关键结构进行有限元分析与仿真，主要是对其进行静力分析，模拟其结构在力的作用下相对形变的过程与程度，所以本次设计选择ANSYSWorkbench对其进项静力分析，并先利用Pro/E先对所要分析的结构进行三维建模。ANSYSWorkbench能够简单快速的机械结构进行各项分析和前处理、后处理操作，并且该软件提供与UG、Pro/E、Solidworks等软件双向即使互动的强大连接功能，使设计流程方便快捷，并且易于操作，能让使用者便捷的得到自己想要分析的结果。3.2垂直加载校准系统关键结构的静力分析龙门框架结构与加载横梁的变形程度分析是垂直加载校准系统有限元分析的一个重要环节，首先要在Pro/E对龙门框架结构进行三维装配建模，然后利用Pro/E与ANSYSWorkbench无缝连接功能将三维装配建模导入ANSYSWorkbench之中进行二次建模，最后对导入的三维装配模型进行前后处理来生成分析结果。3.2.1龙门框架结构变形分析1.对龙门框架结构进行静力学分析数学建模如图3-1所示：图3-1龙门框架结构数学模型龙门框架受到静态10000N的载荷作用，惯性和阻尼比可以忽略，在静态载荷作用下，结构处于静力平衡状态，此时必须充分约束，但由于不考虑惯性，则质量对于结构没有影响，但很多情况下，如果载荷周期远远大于结构自振周期（即缓慢加载）则结构的惯性效应能够忽略，这种情况可以简化为线性静力分析来进行。线性静力结构用来分析结构在给定静力载荷作用下的响应。通常的情况下，大家都比较关注的基本都是就是约束的反力、结构位移，应力和应变等参数。物体的动力学通用方程通过经典理论力学可以知道：。在上面的公式之中所表示的是位移矩阵，则代表着阻尼矩阵，则代表着刚度系数矩阵，代表着唯一关系的矢量，而最后的则表示为力的矢量静力结构线性分析之中，把与时间相关的所有选项都进行忽略，则可以得到下面的方程：在分析中应该满足以下假设条件：必须是连续的，材料需满足弹性材料和小变形理论。其中静力大小载荷可以用来表示，同时随时间变化的载荷不进行考虑，也不考虑惯性（如质量、阻尼等）对结果产生的影响对于龙门框架进行实体建模，并在StaticStructural(结构静力分析)菜单下的EngineeringDate(工程数据库)之中添加结构分析所需要的材料：框架材料采用：Q235B，泊松比：0.274，质量密度：，弹性模量：，工作温度：；导轨材料：轴承钢GCr15，泊松比：0.3，质量密度：，弹性模量：、工作温度：；龙门框架具体结构参数如下图3-2：表3-1龙门框架结构参数截面形状尺寸（mm）材料力(N)体积（）质量（t）横梁200*200*16Q235B100000.3662.8732网格划分龙门框架采用自动网格划分的方法，就是在四面体与扫掠之间进行自动切换，过程完全取决于划分几何体是否被扫掠。当几何体不规则是，系统就自动产生四面体，规则时，系统就会产生六面体网格。网格大小35mm，如图3-2所示：图3-2龙门框架结构网格划分图然后找到DetailsofMesh菜单下的Statistics中的ElementQuality（网格单元质量）与AspectRatio（纵横比）选择开启，并对自动划分网格的单元质量与纵横比进行检查，网格单元质量与纵横比检查在理想状态下网格的单元质量应该均小于1，而纵横比的结构分析应该小于20。网格单元质量与纵横比检查检查如图3-3、3-4所示：图3-3龙门框架结构网格单元质量图3-4龙门框架结构网格纵横比检查如上图所示，所划分的网格单元质量均小于1，而网格的纵横比均小于20，所以所划分的网格是成立的。3边界条件龙门框形架底部采用T型槽固定约束，所以选取软件中StaticStructural(结构静力分析)模块中的FixedSupport（支点固定）对底部的四个底板进行定位约束。的对龙门框形架限制六个自由度，当试车运动到1000mm处时压力线性变化到最大，也就此时在液压杆受到横梁给的10000N的反作用力，所以选取在StaticStructural(结构静力分析)模块中的Force（力）对试车台给以一个10000N方向向上的力。由于只进行静力学分析，所以忽略惯性，阻尼比和重力加速度，而且必须满足是弹性变形，小变形即变形小于框形架最大尺寸的。接触区域均采用不分离接触。4进行求解求解之后在软件右侧可以看到分析结果如图3-5所示：图3-5龙门框架结构总变形图如上图所示，此为垂直加载校准系统的龙门框架主体结构，而在框架下方安装着一个纵向的液压缸，以试车台连接加载轮，对框架下方安装火箭发动机的安装环上的横梁给以一个纵向的加载力，而在分析本次垂直加载校准系统龙门框架结构设计的形变时，由于力的作用是相互的，此结构受到了力只有一个在进行垂直加载时，液压缸给试车台的一个反作用力，所以本次设计在建模时进行了简化，由垂直加载校准系统的技术要求之中可知，龙门框架结构是以底部四处用T型槽的方式进行固定，所以根据结果可以看出在龙门框架结构在底部用四处采取用T型槽固定的前提下，施加给试车台一个10000N向上的反作用力，龙门框架结构对应而产生的最大形变为0.02961，这完全符合本次设计对龙门框架结构所定义的刚度要求。即本次对于垂直加载校准系统龙门框架结构的设计是合理的。3.2.2横梁结构变形分析1.对横梁结构进行静力学分析数学建模如图3-6所示。横梁受到静态10000N的载荷作用，惯性和阻尼比可以忽略，在静态载荷作用下，结构处于静力平衡状态，此时必须充分约束，但由于不考虑惯性，则质量对于结构没有影响，但很多情况下，如果载荷周期远远大于结构自振周期（即缓慢加载）则结构的惯性效应能够忽略，这种情况可以简化为线性静力分析来进行。图3-6横梁结构数学模型横梁受到静态10000N的载荷作用，惯性和阻尼比可以忽略，在静态载荷作用下，结构处于静力平衡状态，此时必须充分约束，但由于不考虑惯性，则质量对于结构没有影响，但很多情况下，如果载荷周期远远大于结构自振周期（即缓慢加载）则结构的惯性效应能够忽略，这种情况可以简化为线性静力分析来进行。线性静力结构用来分析结构在给定静力载荷作用下的响应。通常的情况下，大家都比较关注的基本都是就是约束的反力、结构位移，应力和应变等参数。物体的动力学通用方程通过经典理论力学可以知道：。在上面的公式之中所表示的是位移矩阵，则代表着阻尼矩阵，则代表着刚度系数矩阵，代表着唯一关系的矢量，而最后的则表示为力的矢量在静力结构线性分析之中，在此次设计中把与时间相关的所有选项都进行忽略，则可以得到下面的方程：在分析中应该满足以下假设条件：必须是连续的，材料需满足弹性材料和小变形理论。其中静力大小载荷可以用来表示，同时随时间变化的载荷不进行考虑，也不考虑惯性（如质量、阻尼等）对结果产生的影响。对于横梁结构进行实体建模，并在StaticStructural(结构静力分析)菜单下的EngineeringDate(工程数据库)之中添加结构分析所需要的材料：框架材料采用：Q235B，泊松比：0.274，质量密度：，弹性模量：，工作温度：；导轨材料：轴承钢GCr15，泊松比：0.3，质量密度：，弹性模量：、工作温度：；龙门框架具体结构参数如下表3-2：表3-2横梁结构参数截面形状尺寸（mm）材料力(N)体积（）质量（t）横梁280*124*16加强筋245Q235B100000.06230.4882网格划分龙门框架采用自动网格划分的方法，就是在四面体与扫掠之间进行自动切换，过程完全取决于划分几何体是否被扫掠。当几何体不规则是，系统就自动产生四面体，规则时，系统就会产生六面体网格。网格大小40mm，如图3-7所示：图3-7横梁结构网格划分然后找到DetailsofMesh菜单下的Statistics中的ElementQuality（网格单元质量）与AspectRatio（纵横比）选择开启，并对自动划分网格的单元质量与纵横比进行检查，网格单元质量与纵横比检查在理想状态下网格的单元质量应该均小于1，而纵横比的结构分析应该小于20。网格单元质量与纵横比检查检查如图3-8、3-9所示，通过图3-8、3-9可以看出，所划分的网格单元质量均小于1，而网格的纵横比均小于20，所以所划分的网格是成立的。图3-8横梁结构网格单元质量图3-9横梁结构网格纵横比检查3边界条件横梁底部采用两端用4个螺栓固定约束，所以选取软件中StaticStructural(结构静力分析)模块中的FixedSupport（支点固定）对底部的横梁两端螺栓安装位置进行定位约束。当试车运动到900mm处时压力线性变化到最大，所以选取在StaticStructural(结构静力分析)模块中的Force（力）对横梁顶端给以一个10000N方向向下的力。由于只进行静力学分析，所以忽略惯性，阻尼比和重力加速度，而且必须满足是弹性变形，小变形即变形小于框形架最大尺寸的。4进行求解求解之后在软件右侧可以看到分析结果如图3-10所示，通过图3-11可以看出，这是一个安装在发动机安装环之上的一个加载横梁，在横梁之上装有导轨，导轨上方有一个加载轮以液压缸为动力进行轴向运动，而加载轮的纵向又连接着一个纵向的液压缸，给以横梁一个垂直方向上的压力。在这次分析之中在横梁结构在底部两端用四处采取用用4个螺栓固定约束固定的前提下，施加给横梁顶端施加一个10000N方向向下的力，横梁结构对应而产生的最大形变为0.034712，这完全符合本次设计对横梁结构所定义的刚度要求。即本次对于垂直加载校准系统的加载横梁结构的设计是合理的。图3-10横梁结构总变形图

结论本次设计根据垂直加载校准系统龙门框架结构的设计要求完成了龙门框架结构整体方案的设计，并对垂直加载校准系统龙门框架的工作运行进行了模拟，运用用Pro/E对龙门框架结构进行三维实体建模，并将三维实体模型导入ANSYSWorkbench对实体模型完成了静力分析。整个分析过程充分的考虑了垂直加载校准系统在实际工作运行当中的运行情况，框架结构的设计完全符合对于本次设计的要求，在对垂直加载校准系统的龙门框架结构的材料进行选择时，对多种才材料进行调研与分析，最后在充分考虑材料刚度、以及经济实用度等情况下，本次设计选取了Q235B型方钢。并在整体框架结构设设计中引入了等强度梁的设计观念，提高了减轻了框架结构中横梁的重量并且提高了横梁的稳定性。通过完成这一次对垂直加载校准龙门框架结构的设计，不仅让我将在大学四年之中所学到了的知识进行了一次温习，而且通过这一次毕业设计之中对于问题的发现与解决我还学会了很多平时从来没有接触到的知识。这一次的毕业是对我的学习态度以及解决问题能力的一次提高，我相信这一次的进步在我步入社会走向工作生活之后对我的帮助是受用于终生的。

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