بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسي عملکرد لولاي الاستيک در تراست استند شش مولفه موتور سوخت جامد به روش تحليلي ومقايسه نتايج باحل عددي
چکيده
جهت اندازه گيري نيروها و ممان هاي بوجود آمـده درموتـور سـوخت جامد از تراست استند شش مؤلفه اسـتفاده مـي شـود. طراحـي يـک تراست استند که سه مولفه نيرو و سه مولفه گشتاوررا با دقـت انـدازه گيري کند از مباحـث بسـيار پيچيـده مـي باشـد. يکـي از مهمتـرين تجهيزات تأثير گـذار در دقـت تراسـت اسـتند شـش مؤلفـه ، لـولاي الاستيک (فلکسچر) ميباشد . در اين نوع لولا با ايجاد درجـات آزادي بدون لقي براي موتور، امکان اندازه گيري دقيق مولفـه هـاي جـانبي تراست (انحراف بردار تراست به اندازه ي يک دقيقه ) فراهم ميگردد.
در اين مقاله لولاهاي الاستيک استاندارد مورد بررسي قرار داده شـده و نقاط ضعف و قوت آن ها مطرح مـي گـردد. سـپس روابـط تحليلـي جهت استخراج ماتريس سختي ارائه و عملکرد لولا از نظر تغيير مکان مطلوب و تنش بررسي ميشود. در ادامه چند نوع لولا با هندسه هاي مختلف به روش تحليلي و عددي با استفاده از نرم افزار آباکوس مورد مقايسه قرارداده ميشود. نتايج تحقيق ، بيـانگر آن اسـت کـه عمکـرد لولاي الاستيک وابسته به شرايط هندسي آن بـويژه در محـل لولابـه نوع منحني برش وابسته است . در نهايت باتوجه به نتايج بدست آمده از منحني هاي بيضوي در طراحي بهينه يک نمونه لـولاي الاسـتيک ترکيبي ، بر اساس الزامات يک نـوع موتـور سـوخت جامـد خـاص در تراست استند شش مؤلفه ، ارائه ميشود
کلمات کليدي : تراست استند شش مولفه ، لولاي الاستيک ، فلکسچر
مقدمه
موتورموشک ها و راکت ها در شرايط پرواز درشـش جهـت آزاد بـوده ومانور بسيار زيادي دارند. بيشترين نيرو درجهت طـولي موتوربوجـود مي آيد و معمولا نشان دهنده قدرت موتورميباشد. همواره بدليل عدم سوختن متقارن سوخت موتور جامد وغير هم محور بـودن نـازل هـا، بردار تراست در راستاي محـور موتـور نبـوده و موتـور انحـراف بـردار تراست خواهد داشت که اثر نامطلوب درپرواز راکت دارد. بيش از حد بودن انحراف بردار تراست ممکن است موجب سقوط راکت شود . لذا انحراف بردارنيروي برآيند تا حدي قابل قبول است کـه بـه پايـداري راکت آسيب وارد نشـود. بـدليل هزينـه ي بـالاي تسـت راکـت بايـد
موتورسوخت جامد روي زمين تست گرم شود تا مولفه ي تراسـت آن و مقادير ماکزيمم انحـراف بـردار تراسـت آن مشـخص شـود.تراسـت استند ها از يک تا شش مولفه را ميتوانند اندازه گيري کنند. تراسـت استند طراحي شده در شکل ١ ميتواند شش مولفه شامل سه نيـرو و سه گشتاوررا اندازه گيري کند. از آنجا که نيرو سنج هاي بکاررفته در اين طرح يک نيروي عمودبرخود رااندازه گيري ميکنند. بايـد نيـروي وارده به آن ها خالص باشد يعني انحراف نداشـته باشـد.لـذا طراحـي قطعه اي که قبل از نيروسنج نصب ميشود و نيروي مطلـوب را بـراي اندازه گيري از خود عبور ميدهد الزامي ميشـود. لولاهـاي الاسـتيک قطعاتي هستند که ميتوانند مولفه هاي مطلوب نيرو را عبوردهند. در حاليکه کمترين تغيير شـکل و تـنش رادارندونيروسـنج نصـب شـده بعدازلولاي الاستيک نيروي خالص راگزارش خواهدکرد. اين درحـالي است که اگرهمزمان مولفه ي ديگري از نيـرو وارد شـود، ايـن قطعـه مانند لولا عمل ميکند يعنـي براحتـي تغييـر شـکل ميدهدونيرورابـه نيروسنج بعد از خود انتقال نميدهد.رفتاري شبيه لولاهاي عادي دارد که در مقابل بعضي نيروها مقاومت نميکننـد بـااين تفـاوت کـه لقـي ولرزش نداشته و محدوده ي حرکتي محدودي دارند. اين تغيير شکل مطلـوب اسـت زيـرا ايـن نيروهـا را نيروسـنج هـاي ديگـري تحمـل ميکنند.به اين صورت تمام شش مولفه بصورت دقيـق وخـالص قابـل اندازه گيري ميباشـد.درادامـه معـادلات سـختي لولاهـاي الاسـتيک اسـتخراج شـده وپـس از مقايسـه ، لـولاي مناسـب انتخـاب ميشـود.
درنهايت لولاي الاستيک ترکيبي طراحي وبهينه سازي ميشود.
مباني طراحي لولاي الاستيک
لولاي الاستيک وسيله اي اسـت کـه بسـته بـه تعـداد درجـات آزادي تعريف شده براي آن، با تغيير شکل الاستيک ، امکان دوران يـا آزادي حرکت را ايجاد مينمايد. بنابراين ، قوانين الاستيسيته بر طراحي ايـن وسيله حاکم است . ساده ترين نوع لولاي الاستيک ، يک درجـه آزادي دارد. هريک از انواع لولاها با هدف دسـتيابي بـه يـک يـا چنـد الـزام خاص ، کارکرد مناسب دارد. بنابراين در طراحي آن، انطبـاق طـرح بـا کارکرد تعريف شده يا تحليل شده ، امري اساسي و الزامي اسـت . لازم به ذکر است که جنس و فرايند توليد ماده اوليه مورد اسـتفاده بـراي ساخت لولا در کارکرد آن تأثيرگذار است . به عنوان مثال، در سـاخت يک لولا که براي ايجـاد دوران محـوري طراحـي شـده اسـت بايـد از هندسه اي استفاده شود که براي اعمال بـار پيچشـي مناسـب توليـد شده باشد. انتخاب مواد نيز بايد به گونه اي باشد که جـزو مـواد تـرد وشکننده نباشد زيرا از لولا انتظار مي رود رفتاري مشابه فنـر داشـته باشد
مقايسه ي انواع لولاهاي استاندارد
لولاهاي استاندارد يا همان فلکسچرها انواع مختلفي دارنـد. از جملـه فلکسچرهاي دوراني ، محوري و ترکيبي . فلکسچرهاي مورد اسـتفاده در تراست استند شش مولفه ازنوع ترکيبـي ميباشـندکه از لولاهـاي اســتاندارد محــوري تشــکيل ميشــوند. اولــين نکتــه درطراحــي لولاهادرنظرگرفتن محدوديت حرکتي لولاها ميباشد که همـواره بايـد در محـدوده ي الاسـتيک قرارداشـته باشـند. فلکسـچرهاي محـوري بطورکلي داراي قسمت باريک شـونده اي هسـتند کـه بـابرش هـاي مختلفي بوجود ميايند و باعث ميشوند کـه سـختي قطعـه در جهتـي خاص کم شود. معمـولا بـرش هـاي مسـتطيلي ، دايـروي و بيضـوي بيشترين کاربرد رادارند که بعنوان لولاهاي استاندارد در ايـن قسـمت مورد بررسي قرارگرفته اند. بررسي تنش وسختي مطلـوب و مقايسـه رفتار آن ها مارابه برش مناسب مي رساند.درشکل ٢ انواع برش هـاي مستطيلي ، دايروي وبيضوي نشان داده شـده انـد کـه دراثـر کوچـک شدن مقطع در جهـت محورنشـان داده شـده عملکـردي ماننـد فنـر پيچشي دارند و مانند يک لولا عمل ميکنند. اين لولاها بانيرويي کـم تغيير شکل داده اما يک پارچه اند و هيچگونه لقي يا اتصـالي ندارنـد که موجب خطادر سيستم شود. در فرمول ١، سختي لولاي مستطيلي رابدست آورده [١] وبا فرمول هاي ٢ و ٣ به ترتيب سـختي لولاهـاي دايروي و بيضوي بدست مي آيد[٢]
فرمول ٣ خود شامل روابط زير ميباشد
ورودي مسائل جنس مواد و هندسه مقاطع بـوده و خروجـي تـنش و سختي پيچشي خواهد بود. براي مثال تـنش در لـولاي دايـره اي بـه علت چرخش تابعي ازطول ، ضخامت مقطع ، ومقدار چـرخش خواهـد بود. لذابراي بهينه کردن هريک ازاين پارامترها ميتوان پـارامتر هـاي ديگر را ثابت فرض کرد.براي مفيد بودن مقايسه باکمک جـنس مـواد ثابت و ضخامت بيرون از صفحه ثابت ، درجدول ١ به مقايسه ي رفتار هرسه نوع مقطع از نظرتنش و سختي پرداخته شده است .
جدول ١: مقايسه تنش و سختي لولاهاي الاستيک استاندارد
باتوجه به ثابـت کـردن جـنس مـواد و ضـخامت (در بيـرون ازصـفحه چرخش )وکمتـرين ضـخامت درصـفحه چـرخش و قطـر ميتـوان بـه مقايسه آنهاپرداخت .دراينجااين سختي ازکم به زيادمقايسه شده است مقايسه سختي : مستطيلي ، بيضوي ، دايروي
از آنجا که اطمينان ازنتايج نيازمند مقايسه آنها ميباشد. لذا بجز حـل تحليلي با کمک نرم افزار اجزامحدود آباکوس نيز سختي ايـن لولاهـا در سه حالت بررسي شده است . بخاطر ضخامتي که اين مفاصل دارند بايد بصورت سه بعدي آناليز شوند علاوه بـر ايـن بـا کمـک صـفحات غشايي ميتوان حـد بـالا و پـايين را بـراي اطمينـان بيشـتر بدسـت آورد.درجدول ٢ اين مقايسه انجام شده است در حالي که جنس مواد ثابت وضخامت ١.٥ ميليمتر وعـرض بيـرون از صـفحه ١٠ ميليمتـر ثابت فرض شده است . مشاهده ميشود در حالت المان سه بعدي خطا قابل اغماض است .
لذا اگرطراح بيشترين سختي رامد نظر داشته باشد از لولاي دايـروي استفاده خواهد کرد و اگرکمترين سختي وبيشـترين دامنـه چـرخش رانياز داشته باشد از لولاي مسـتطيلي اسـتفاده خواهـد کـرد.مشـکل لولاي مستطيلي تمرکز تنش درگوشه هاي آن واحتمـال کمـانش در اثر ارتعاشات اتفاقي موتور سوخت جامد ميباشد. اما از آنجا که حالـت بيضوي بين ايندو حالت بوده و خود ميتواند در حـالتي خـاص يـک دايره باشد ميتواند از تمام جهـات پاسـخگوي تراسـت اسـتند شـش مولفه باشد. درفرمول ٣ ضريبي که براي نسبت قطر بزرگ به کوچک بيضي استفاده شده است ميتواند بيانگر رفتار لولاهاي ديگر نيز باشـد به عنوان مثال اگربرابر يک باشد همان مفهوم دايره راخواهـد داشـت يعني هردوقطر بيضي برابرخواهدبود واگربه سمت اعـدادخيلي بـزرگ ميل کند ميتواند بيانگر يک لولاي مسـتطيلي باشـد. لـذا درشـکل ٣ نموداررفتار سختي درحالت کلي بررسي شده اسـت . سـتون عمـودي سختي ميباشد وستون افقي تغييرات طول قطر بزرگ بـرش بيضـوي ميباشد. نمودارهاي مختلف به ازاي تغيير نسبت طول قطربـزرگ بـه قطرکوچک رسم شده است . با افزايش اين نسبت در چنـدين نمـودار افزايش سختي ديده ميشود. لذا بايد در انتخاب اين نسبت دقت ويژه اي شود. مناسب ترين نسـبت بـراي تراسـت اسـتند شـش مولفـه ٢ برابربدست آمده است . در اين پژوهش لولاي بيضوي بـراي ترکيـب و طراحي يک لولاي الاستيک ترکيبي انتخاب شده است تا هم از نظـر تنش هم از نظر چرخش پاسخگوي تراست استند شش مولفه باشد.
نياز هاي تراست استند شش مولفه موتور سوخت جامد
نيروي تراست محوري ١٥ هزار نيوتن مقدار مناسبي بـراي مـاکزيمم تراست محوري ميباشد. در حالت ايده آل بجز تراست محوري نيروي ديگري درموتور بوجود نخواهد آمد اما همانطور که گفته شـد بـدليل مسائل ساخت و سوختن نامتقارن سوخت همواره بردار تراست خروج ازمحوردارد. اندازه گيري خود تراست را با تراست استند يـک مولفـه ميتوان انجام داد. پس اهميت ساخت تراست استند شـش مولفـه در اندازه گيري دقيق نيروهاي جانبي است . نيروسنج هاي بکاررفته براي نيروهـاي جـانبي ٥ هزارنيـوتن را تحمـل ميکنندکـه بسـيار بيشـتر ازماکزيمم نيرويي است که امکان بوجود آمدن رادارد.دراين حالت که ماکزيمم بار به آن ها وارد ميشود ٠.١ ميليمتر جابه جا ميشوند. ايـن اعداد ميتوانند ورودي طراحي لولاي الاستيکي ترکيبي باشند کـه در جلوي موتـور نصـب ميشـود و موتوررامهارميکنـد. لـولاي الاسـتيک ترکيبي نيروي تراست رابراحتي ازخود عبورميدهد تا نيروسنج نصـب
شده بعدازآن تراست را اندازه گيـري کنـد. امـا زمـاني کـه موتـور را مهارکرده نيروي جانبي بوجودآمده راتحمل نميکند. سهم بسـيارکمي ازممان ها و نيروهاي جانبي بـراي چـرخش لـولاي الاسـتيک صـرف ميشود. زماني که لولاي الاستيک ترکيبي ميچرخد موتور نيـز دوران کمي خواهد داشت . اينجاست که اين جابـه جـايي توسـط نيروسـنج هاي جانبي تحمل ميشود. درواقع موتور کاملا توسط نيرو سنج هـاي جانبي مهارشده است .وجابه جايي آزاد موتور باعـث ميشـود خروجـي دقيقي از نيروي جانبي بدسـت آيـد. مـاکزيمم جابـه جـايي لودسـل جانبي ٠.١ ميليمتر است که بادر نظـر گـرفتن طـول يـک متربـراي موتور چرخش ٠.٠٠٠١ راديان مـاکزيمم جابـه جـايي در مجموعـه خواهد بود.اگرفرض کنيم براي ايـن چـرخش ممـان بسـيار کـم ٠.٥ نيوتن مترصرف چرخش لولاي الاستيک ترکيبي جلوي موتـور شـود.
سختي ورودي براي طراحي لولاي الاستيک ترکيبي بدست آمده کـه برابر ٥٠٠٠ نيوتن متر برراديان خواهد بود. توجـه شـود کـه نيـروي عرضي در نازل ها ميتواند نقـش ممـان را در جلـوي موتـور راداشـته باشد.
مباني طراحي لولاي الاستيک ترکيبي
اين قطعه که جلوي موتور نصب شده وآن را مهـار ميکنـد مهمتـرين قطعه تراست استند شش مولفه ميباشد زيرا همزمـان نيـروي بسـيار زياد محوري تراست را از خود عبور ميدهـد وتـنش و ضـربه ي آن را تحمل ميکند و هم اينکه اجازه ميدهد در جهات جانبي بدنـه موتـور توسط نيروسنج ها مهارشـود. بـراي طراحـي ايـن قطعـه از لولاهـاي
استاندارد گفته شده استفاده ميشود. همانطور که گفته شدچون هـم تنش و هم سختي از اهميت بالايي برخوردارند از برش هاي بيضـوي براي طراحي لولاي الاستيک ترکيبي استفاده شده است .اين لولا بايد درتمام جهات عرضي يکسان عمل کند.زيرا مشـخص نيسـت نيـروي جانبي درکدام جهت وارد خواهد شد.درضمن از نظر ابعادي نبايـد بـا ابعاد تراست استند درتعارض باشد.
