خلاصه اختراع

طراحي و ساخت يك بالانس جديد شش مولفه اي براي اندازه گيري نيروها و گشتاورها تست مدلي يكي از ابزارهاي مهندسان مكانيك در ارزيابي چگونگي عملكرد يك طرح مي باشد. تكنیک هاي اندازه گيري در تست هاي تونل آب، تانك كشش و تونل باد براي تخمين پارامترهاي مختلف عملكردي هيدروديناميك لازم است. مناسب ترين راه براي اندازه گيري نيروها و گشتاورهاي هيدروديناميكي و ايروديناميكي، به كارگيري بالانس هاي كرنش سنج چند مولفه اي مي باشد. تست هاي مدلي در حيطه هاي مختلفي مانند طراحي پرتابه هاي زير سطحي، پروانه ها، موشك، خودرو، تجهيزات فضا مورد استفاده قرار مي گيرد. بالانس شش مولفه اي نيرو گشتاور جديدي جهت اندازه گيري نيروها و گشتاورهاي وارده بر مدل هاي هيدروديناميكي و ايروديناميكي به طور همزمان و مستقيم در تست هاي استاتيكي و ديناميكي داخل تونل آب، تانك كشش و يا تونل باد، طراحي شده است. يكي از مشكلات اندازه گيري ضرايب هيدروديناميكي و ايروديناميكي تداخل اثرات گشتاور و نيروي ايجاد كننده آن (به عنوان مثال گشتاور پيچ و نيرو ليفت) مي باشد. در اين طرح با طراحي مناسب مقاطع و سيم بندي اين مشكل نسبت به بالانس هاي كاربرد مشابه برطرف شده است، همچنين دقت اندازه گيري بالانس با در نظر گرفتن مدل كاليبراسيون مشابه افزايش يافته است. در اين اختراع با در نظر گرفتن حداقل تداخل هاي مكانيكي و الكتريكي بالانس با دقت 0.1 % بار ماكزيمم، امكان تخمين ضرايب هيدروديناميكي را فراهم آورده است.

حوزه کاربرد (زمینه فنی)

تست مدلي يکي از ابزارهاي مهندسان مکانيک در ارزيابي چگونگي عملکرد يک طرح مي باشد. تکینک های اندازه گیری در تست های تونل آب، تانک کشش و تونل باد برای تخمین پارامترهای مختلف عملکردی هیدرودینامیک لازم است. در تونل آب، تانک کشش و تونل باد مناسب ترین راه براي اندازه گيري نيروها و گشتاورهاي هیدرودینامیکی و ایرودینامیکی، به کار گیری بالانس هاي کرنش سنج چند مولفه اي می باشد. تست های مدلی در طراحی در زمینه های مختلفی مانند پرتابه های زیر سطحی، موشک ها، خودرو، تجهیزات فضا و اجسام غوطه ور در زیر آب مورد استفاده قرار میگیرد.

مشکل فنی موجود و هدف از این اختراع:

این اختراع برای تعیین ضرایب هیدرودینامیک رونده های زیرسطحی با استفاده از تست های مدلی درتونل آب انجام شده است. ضرایب هیدرودینامیک قلب مدل ریاضی اولیه ی مورد استفاده در شبیه سازی حرکت رونده های زیرسطحی را تشکیل می دهند. این ضرایب با استفاده از نیروها و گشتاورهای وارده بر مدل که بوسیله بالانس شش مولفه ای اندازه گیری می شوند محاسبه می گردد. این بالانس جهت اندازه گيري سه مولفه نيرو و سه مولفه گشتاور وارده بر مدل به طور همزمان و مستقيم در آزمايش هاي تست های مدلی تونل آب در حالت هاي ديناميکي و استاتيکي طراحی شده است. بالانس ها بر اساس طراحی المان های اندازه گیری می توانند یک تا شش مولفه را اندازه گیری کنند. تفکیک مولفه ها نسبت به هم با استفاده از طراحی و سیم بندی مناسب المان های الاستیک انجام می شود. هر المان به طور مجزا باید قابليت اندازه گيري مولفه خاص نيرو و گشتاور را داشته باشد که عکس العمل آن در اثر مولفه هاي ديگر حداقل است. تفکیک پذیری و خطی بودن بالانس دو عامل مهم برای عملکرد بالانس ها می باشند. هریک از این عوامل تحت تأثیر طراحی سازه ای، ساخت و کالیبراسیون می باشند. تفکیک پذیری و خطی بودن بالانس در مرحله طراحی سازه ای به ابعاد، شکل سازه ای و ماده انتخاب شده بستگی دارد. در بالانس های مشابه تداخل مکانیکی مولفه ها مانند گشتاور پیچ با لیفت و یا گشتاور یاو با نیروی ساید باعث بوجود آمدن تداخل پیش بینی نشده الکتریکی می شوند. یکی از مشکلات اندازه گیری ضرایب هیدرودینامیکی تداخل اثرات گشتاور و نیروی ایجاد کننده آن (به عنوان مثال گشتاور پیچ و نیرو لیفت) می باشد. با طراحی مناسب مقاطع و همچنین سیم بندی مناسب این مشکل نسبت به بالانس های کاربرد مشابه برطرف شده است، و دقت اندازه گیری بالانس با در نظر گرفتن مدل کالیبراسیون مشابه افزایش یافته است. از اهداف دیگر این اختراع صلبیت بالای المان های انعطاف پذیر بالانس برای کم کردن خطای تداخلی مکانیکی و استاتیکی ناشی از اندازه گیری بارها، انحراف حداقل بالانس از محور طولی برای مینیمم کردن خطای های غیر خطی، هیسترزیس پایین، سادگی ماشین کاری و اندازه گیری مستقیم و مجزای یک مولفه خاص بدون نیاز تبدیل اثرات یکسان به یکدیگر، جهت کاهش تداخل الکتریکی می باشد.

ارایه راه حل برای مشکل فنی موجود همراه با شرح دقیق و کافی و یکپارچه اختراع

هدف از اختراع طراحی بالانس شش مولفه ای جهت اندازه گیری نیروها و گشتاورهای وارده بر مدل های هیدرودینامیکی در تست های مدلی استاتیکی و دینامیکی داخل تونل آب می باشد. این بالانس می تواند اندازه گیری بارهای وارده بر مدل های زیرسطحی، انواع کوتیتورها، پروانه ها را در شش درجه آزادی فراهم کند. بالانس نیرو-گشتاور یک سازه الاستیک پیچیده با تعدادی المان های انعطلاف پذیر است که در آن نیروهای وارده بر مدل باعث ایجاد کرنش روی المان های انعطاف پذیر می شوند. کرنش های تولید شده در محل های خاص روی المان های الاستیک بوسیله کرنش سنج ها که به صورت مدار پل وتستون کنار هم سیم بندی می شوند به سیگنال الکتریکی تبدیل می شود. سیگنال های الکتریکی با نیروهای وارد به مدل متناسب خواهد بود. با در نظر گرفتن رابطه بین بار و سیگنال خروجی بالانس و استفاده از مدل های کالیبراسیون اندازه گیری مستقیم نیروها و گشتاورهای وارد بر مدل در تونل آب فراهم می شود. از اهداف دیگر این اختراع صلبیت بالای المان های انعطاف پذیر بالانس برای کم کردن خطای تداخلی مکانیکی و استاتیکی ناشی از اندازه گیری بارها، انحراف حداقل بالانس از محور طولی برای مینیمم کردن خطاهای غیر خطی، هیسترزیس پایین، سادگی ماشین کاری و اندازه گیری مستقیم و مجزای یک مولفه خاص بدون نیاز تبدیل اثرات یکسان به یکدیگر، جهت کاهش تداخل الکتریکی می باشد. اين سيستم بر اساس اصول کرنش سنج ها و قوانين تيرهاي خمشي طراحي شده است و داراي مقاطع مختلفي مي باشد. هر مقطع به طور مجزا قابلیت اندازه گيري مؤلفه خاص نيرو و گشتاور را دارد که عکس العمل آن در اثر مؤلفه‌های ديگر حداقل است. به دليل مسائل آب‌بندی، اين بالانس در داخل تونل آب و در راستاي محور اصلي مدل قرار مي گيرد. در اين مکانيزم جسم مدل از طريق بالانس به استينگ مونت متصل مي شود. طراحی بالانس به گونه ای است که نیروها و گشتاورهای وارد بر مدل را در راستای مختصات متصل به محورهای مدل اندازه گیری می کند. براي طراحي بالانس از المان‌هاي انعطاف پذیر و كرنش سنج‌ها استفاده شده است که هر مولفه نيرو يا گشتاور متناسب با کرنش ايجاد شده روي المان الاستيک خاص مي باشد. براي اندازه گيري شش مولفه نيرو و گشتاور، چهار مقطع اندازه گیری طراحي شده است. عملکرد بالانس شديدا بستگي به شکل سازه طراحي شده بالانس دارد. خواص مکانیکی ماده و تنش داخلی ایجاد شده در مراحل ساخت تأثیر قوی روی هیسترزیس و تکرار پذیری بالانس خواهند داشت. به همین دلیل ساخت بالانس، فرآیند حساسی است که نیاز به توجه دقیق بر روند تولید آن دارد. فرآیند ساخت بالانس بر اساس مفاهیم طراحی، مواد بالانس های مختلف، فرآیند ماده جدید و تکنیک های ساخت انجام شده است. در راستاي اجراي اين هدف، ابتدا سیستم مذكور بطور كامل شناسایي و روش ساخت آن تعيين شده و پس از آن، مراحل ساخت اجرا گرديد. باتوجه به مطالعات و بررسي انجام شده روي انواع عملیات ماشینکاری برای جنس بالانس، آلیاژ، انتخاب گردید و سپس فرآيند ساخت بالانس شش مؤلفه ای برای تونل آب و ملحقات آن طراحي گرديد. برخی از عملیات برای اولین بار در کشور انجام گرفت. حساسيت موجود در اين قسمت شامل ماشين كاري همزمان قطعات بالانس مي باشد، بطوري كه هنگام مونتاژ بالانس قطعات حداقل جابجایی را نسبت به همدیگر داشته باشند. تمام عملیات بر روی قطعات براساس فرم های تهیه شده و با نظارت مستقیم کارشناسان انجام شده اند. عمليات شامل تراش كاري، سوراخ كاري، برش كاري، فرزكاری، عملیات حرارتی، سنگ زني، سیم برش، اسپارک، سوپر دریل، و پولیش کاری مي باشند. بر اساس دستورالعمل ها و معيارهاي تدوين شده، مواداوليه و فرآيندهاي ساخت قطعات، تحت كنترل و بررسي قرار گرفتند. كنترل ابعادي قطعات مختلف، آنالیز مواد اولیه و آزمایش متالوگرافی بر روی قطعات انجام شد. آزمايش هاي انجام شده تطابق نتايج را با معيارهاي تدوين شده نشان داد. پس از مرحله ی ساخت سازه ی بالانس نیاز به نصب سنسورها و تجهیزات الکترونیک مورد نیاز می باشد. نوع اتصال کرنش سنج ها به سطح و نحوه آرایش آنها در پل وتسون تأثیر قوی روی میزان حساسیت بالانس دارند. به همین دلیل پس از مرحله ساخت سازه بالانس، این مرحله از ساخت بالانس، اهمیت و حساسیت به سزایی دارد که تعیین کننده دقت پاسوخگویی بالانس خواهد بود. در راستاي اجراي اين هدف، ابتدا روند نصب کرنش سنج ها و سیم بندی سیستم كامل شناسایي و روش ساخت آن تعيين شده و پس از انتخاب و فراهم کردن تجهیزات مورد نیاز، مراحل ساخت آن اجرا گرديده است.