طراحي و تحليل مكانيزم با لولاهاي انعطاف پذير براي اندازه گيري دقيق نيرو و گشتاور بالانس تونل باد

Design and Analysis of a Flexural Hinges Mechanism for Force and Moment Precision Measurement in Wind Tunnel Balance

در تونل هاي باد، براي اندازه گيري 6 مولفه نيرو و گشتاور وارد بر مدل هواپيما از وسيله اي به نام بالانس اندازه گيري استفاده مي شود. مجموعه بالانس اندازه گيري، شامل 2 بخش اصلي سازه بالانس و تجهيزات الكترونيكي است. در اين تحقيق، براي دستيابي به پيكر بندي مطلوب سازه بالانس، يك مكانيزم با لولاهاي انعطاف پذير طراحي شده است. در روند طراحي ساختار هندسي اين مكانيزم، چيدماني 6 ستون لودسل- لولاي انعطاف پذير به صورت هدفمند انجام شده است. از مزاياي اين لولاي انعطاف پذير نسبت به لولاهاي متداول، عدم وجود لقي و اصطكاك، كم حجم بودن، فشردگي و رفتار خطي آن است. در مكانيزم بالانس، اثر تقابلي مولفه هاي نيرو و گشتاور بر 6 ستون لودسل- لولا، خطاي كوپلينگ ايجاد مي كند. هر چقدر خطاي كوپلينگ بزرگتر باشد، خطاي اندازه گيري مقادير نيرو و گشتاور نيز افزايش مي يابد. يكي از منابع اصلي اين نوع خطا مربوط به سازه مكانيزم بالانس بوده و علت آن ناكافي بودن نسبت انعطاف پذيري محوري به جانبي ستون هاي ياد شده است. هدف اين تحقيق، طراحي بهينه مكانيزم انعطاف پذير به منظور دستيابي به حداقل خطاي كوپلينگ سازه اي است. به همين منظور ابتدا قيدهاي طراحي لولاي انعطاف پذير و روابط تحليلي حاكم بر مكانيزم انعطاف پذير استخراج شده و سپس با تشكيل ماتريس خطاي كوپلينگ سازه اي، طراحي بهينه مكانيزم بالانس انجام شده است. براي اعتبارسنجي روابط تحليلي و بررسي صحت نتايج، مساله با تحليل المان محدود نيز مقايسه شده است. با ساخت مكانيزم بالانس و اندازه گيري مقادير نيرو و گشتاور، نتايج نشان مي دهد كه با كاهش سهم خطاهاي كوپلينگ سازه اي لولاها، خطاهاي اندازه گيري مقادير 6 مولفه نيرو و گشتاور بالانس كاهش يافته اند.

In the wind tunnels, the balance measurement instrument is used to measure six components of force and moment on an airplane model. The balance of measurement consists of two parts of the balance structure and electronic equipment. In this research, a mechanism with flexible hinges is designed to achieve the desired configuration of the balance structure. In the process of designing the geometric structure of this mechanism, an effective arrangement has been implemented for the six load cell - flexure columns. The advantages of flexible hinges in comparison to conventional hinges are the absence of friction, compactness and its linear behavior. The reaction effects of the components of force and moment on each six load cell - flexure columns created the coupling errors. One of the main sources of this kind of error is related to the structure of the balance mechanism. The reason for this type of error is the inadequacy of the axial flexibility to the lateral flexibility of the columns. The aim of this research is to optimize the design of the flexible mechanism in order to achieve the minimum coupling error of the structure. For this purpose, hinge design considerations and analytical equations of the flexible mechanism have been extracted. The design of the balance mechanism is optimized by creating a structure coupling error matrix. To validate the analytic equations and results, the problem is compared with the finite element analysis. The results indicated that the measurement errors decrease in the measurement of six components of force and moment of balance.