CN101419118B

CN101419118B - 一种支座反力式风洞天平体轴系静态校准的方法

Info

Publication number: CN101419118B
Application number: CN2008102389555A
Authority: CN
Inventors: 马洪强
Original assignee: China Academy of Aerospace Aerodynamics CAAA
Current assignee: China Academy of Aerospace Aerodynamics CAAA
Priority date: 2008-12-05
Filing date: 2008-12-05
Publication date: 2010-09-08
Anticipated expiration: 2028-12-05
Also published as: CN101419118A

Abstract

一种支座反力式风洞天平体轴系静态校准的方法，将加载装置安装在风洞天平的支杆连接端，通过安装在刚性支架上的激光位移传感器测量风洞天平加载装置的位移；对风洞天平进行加载后采集激光位移传感器的读数，计算风洞天平加载装置的位移和各加载点的位移；将所施加载荷平移到体轴坐标系原点进行合成，然后求基座在体轴坐标系原点对风洞天平产生的支座反力，以此作为风洞天平的体轴系载荷；结合所有风洞天平加载前后输出电压信号的增量和体轴系载荷，通过最小二乘法和高斯消元法求解风洞天平的体轴系静校公式。采用本发明中的静校方法，可以简化风洞天平的静校装置，既不必使用复杂的补偿型或单矢量型运动机构，也不必受参考天平性能的限制，与测量加载装置位移法相比由于风洞天平体轴系位置不变，计算更加简单。

Description

一种支座反力式风洞天平体轴系静态校准的方法

技术领域

本发明涉及一种风洞天平体轴系静态校准的方法，特别是涉及一种支座反力式风洞天平体轴系静态校准的方法，属于风洞天平校准领域。

背景技术

风洞应变天平是飞行器风洞试验中使用的多分量力传感器，可以测量气流作用在飞行器模型上的力和力矩，再结合气流参数和风洞模型参数可以计算飞行器模型的静、动态气动力系数。这些风洞试验数据是飞行器设计的重要依据，所以需要对风洞应变天平进行精确的校准，其不确定度满足国军标的要求方可使用。

目前所使用的风洞天平加载后校准方法主要是体轴系静校法，各国研究机构采用的方法有以下几种：(1)静校机构主体复位补偿式，通过手动或自动方式将安装在风洞天平上的加载装置回复到加载前的初始位置，保持风洞天平体轴系和所施加载荷的轴系一致。国内申请此类专利的有中国气动力研究与发展中心高速气动力研究所的全自动无砝码自补偿天平校准装置(授权公告号CN2385330Y)和(专利号97230780.X)。(2)外围加载设备跟随补偿式，调整周围加载装置使之跟随风洞天平体轴系的空间坐标变化，使施加载荷的轴系与风洞天平体轴系保持一致。(3)参考天平测量法，使用刚度很大，精度高于普通风洞天平的外式天平测量机体轴系的实际载荷，外式天平安装在风洞天平的模型连接端，通过风洞天平的支撑连接端进行加载，由于外式天平刚度足够大，可认为外式天平无变形，其测得的载荷即为风洞天平的体轴系载荷。(4)测量加载装置位移法，加载后测量加载装置特征点的位移，计算体轴系的实际位置、重力方向和加载拉线相对于体轴系的方位变化，并求出体轴系的实际载荷。(5)单矢量静校法，只有一个加载点，通过运动机构和专用定位装置来改变这个载荷的方向和作用点，通过增减砝码来改变载荷的大小，以进行天平校准。其中方法(1)(2)需要可以进行多自由度运动的机构，机械和控制系统比较复杂，设备造价高，维护困难；方法(3)对参考天平有很高的要求，其研制和校准均有较大技术难度，目前只有德国和瑞典两家研究机构有这样的设备；方法(4)的硬件系统较为简单，但是计算天平体轴系位置和重力、加载拉线的方位时需要比较复杂的轴系转换；方法(5)是美国Langley中心的独有技术，对设备的加工精度和测试系统的精度均有极高的要求。由于以上方法均有较大难度，因此许多研究机构在研制风洞天平静校设备时会忽略一些次要因素，采取折衷方案，但这又增加了系统的误差。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种简单而又准确地完成风洞天平的体轴系静校的方法。

本发明的技术解决方案是：一种支座反力式风洞天平体轴系静态校准的方法，其特征在于通过如下步骤实现：

第一步，将风洞天平的模型连接端固定在刚性基座上；

第二步，将加载装置安装在风洞天平的支杆连接端，在加载装置上预设加载点；

第三步，根据实际测量要求确定刚性支架的位置，再把激光位移传感器安装到刚性支架上，风洞天平、激光位移传感器分别与数据采集设备数据线连接；

第四步，用数据采集设备采集激光位移传感器输出的电压信号V₀和风洞天平在初始状态的电压信号U₀；

第五步，在加载装置预设的加载点施加载荷W给风洞天平加载，数据采集设备采集风洞天平变形后的电压信号U和激光位移传感器的电压信号V；

第六步，通过激光位移传感器公式、激光位移传感器的电压信号增量ΔV，计算加载装置的角位移和线位移及加载装置上加载点的线位移，其中ΔV＝V-V₀；

第七步，根据第六步计算的加载装置的角位移和线位移及加载装置上加载点的线位移求解加载点载荷的实际方向，并按体轴坐标系方向进行分解；

第八步，将所施加载荷W平移到体轴坐标系原点，求刚性基座在体轴坐标系原点对风洞天平产生的支座反力，以此作为风洞天平的体轴系载荷；

第九步，重复第五步到第八步，得到不同加载点、不同的载荷W和不同加载方向时风洞天平加载前后输出电压信号的增量ΔU和体轴系载荷，其中ΔU＝U-U₀；

第十步，将所有风洞天平加载前后输出电压信号的增量ΔU和体轴系载荷结合在一起，通过最小二乘法和高斯消元法求解风洞天平的体轴系静校公式。

所述的刚性基座的弯曲和滚转惯性矩比风洞天平的弯曲和滚转惯性矩高一个量级以上。

所述的风洞天平是二至六分量天平的任一种。

所述的激光位移传感器的个数不少于风洞天平的分量数，选用非接触式激光位移传感器。

所述第九步风洞天平加载前后输出电压信号的增量ΔU和体轴系载荷不少于n²+3n组数据，其中n是风洞天平的分量数。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明只须将风洞天平倒装，简化了风洞天平的静校装置，既不必使用复杂的补偿型或单矢量型运动机构，也不必受参考天平性能的限制；

(2)本发明由于风洞天平体轴系位置不变，不需要复杂的轴系转换，计算更加简单；

(3)本发明在测量过程中没有忽略一些次要因素，不会增加系统的误差。

附图说明

图1为本发明风洞天平安装方式及初始状态示意图，XOY直角坐标系为风洞天平体轴坐标系；

图2为本发明风洞天平加载变形后位移测量示意图，XOY直角坐标系为风洞天平体轴坐标系。

具体实施方式

本实施例以测量Fx、Fy、Mz的三分量天平、采用3个激光位移传感器、一个加载点为例，具体实施步骤：

(1)将风洞天平3进行倒装，即把风洞天平3的模型连接端固定在刚性基座4上，并将风洞天平3的体轴坐标系用经纬仪、水准仪、倾斜仪等光学仪器调成如图1所示的三维直角坐标系XOY；

(2)将加载装置2安装在风洞天平3的支杆连接端，通过调整加载装置2使加载点的初始位置与体轴坐标系原点O重合，其中加载方向：Fx水平向左，Mz、Fy垂直向下；

(3)在按图1所示的刚性支架上安装三个非接触式激光位移传感器1，用来测量风洞天平加载装置的位移，水平方向的激光位移传感器的激光束照射在加载装置的轴心，测得L1＝100mm，L2＝500mm，L3＝100mm；用高精度数字电压表或其它数据采集设备纪录3个激光位移传感器输出的电压信号V₁₀、V₂₀、V₃₀，数值为0.005V，0.004V，0.010V，并采集风洞天平的输出电压信号U₁₀、U₂₀、U₃₀，三个信号通道顺序依次对应Mz、Fy、Fx，数值为0.0020mV/V，0.0040mV/V，0.0010mV/V(风洞天平的供电在1V时输出的电压数值)；

(4)将W₁＝200N的砝码6放在图1、2所示砝码盘5中对风洞天平3进行加载，即施加载荷Fy＝-200N；

(5)采集激光位移传感器输出电压信号V₁₁、V₂₁、V₃₁，分别为0.200V，0.150V，0.015V和风洞天平的输出电压信号U₁₁、U₂₁、U₃₁，分别为0.0020mV/V，0.2140mV/V，0.0025mV/V，计算激光位移传感器的电压信号增量ΔV₁＝V₁₁-V₁₀＝0.195V、ΔV₂＝V₂₁-V₂₀＝0.146V、ΔV₃＝V₃₁-V₃₀＝0.005V，风洞天平的电压信号增量ΔU_Fx1＝U₃₁-U₃₀＝0.0015mV/V、ΔU_Fy1＝U₂₁-U₂₀＝0.2100mV/V、ΔU_Mz1＝U₃₁-U₃₀＝0.0000mV/V；

(6)通过激光位移传感器公式计算加载装置2的位移D1、D2、D3，本例中选用的激光位移传感器公式为L＝40+2.5V(mm)，则位移D＝2.5ΔV，D1＝2.5ΔV₁＝0.4875mm，D2＝2.5ΔV₂＝0.365mm，D3＝2.5ΔV₃＝0.0125mm；

(7)计算加载装置2的角位移：

θ＝arctg[(D1-D2)/L2]＝arctg[(0.4875-0.365)/500]＝0.000025，

加载点的线位移：

DX＝D3+(D1-D2)[D1·(L1+L2)-D2·L2]/L2²＝0.0125539mm

DY＝(D1-D2)·L3/L2+D2＝0.3895mm；

(8)将所施加载荷平移到体轴坐标系原点，得到实际载荷为

Mz＝W₁·DX＝2.51078Nmm＝0.00251078Nm，

Fy＝-W₁＝-200N，

Fx＝0，

(9)刚性基座在体轴坐标系原点对风洞天平产生的三分量支座反力为

Mz₁＝-0.00251078Nm，

Fy₁＝200N，

Fx₁＝0，

即为此加载状态下的风洞天平体轴系载荷；

(10)改变砝码6的重量，重复(4)至(9)，获得至少3组体轴系载荷值和相应天平信号增量，计算同上述步骤(4)至(9)；

(11)改变加载方式，按照(4)至(10)的方法分别在砝码盘5的位置上施加Fx和Mz，求每个加载状态的体轴系载荷值和相应天平信号增量，计算同上述步骤(4)至(9)；

(12)将所有的风洞天平体轴系载荷值和天平信号增量结合在一起，通过公知技术最小二乘法和高斯消元法求解风洞天平的体轴系静校公式矩阵A，如表1所示；

表1 三分量风洞天平体轴系静校公式矩阵A

	Mz	Fy	Fx
	Mz	Fy	Fx	Mz	1.0535E+00	2.4313E-01	-1.0246E-04
Fy	4.1627E-08	9.5238E+02	-2.9372E-05	Mz	1.0535E+00	2.4313E-01	-1.0246E-04
Fy	4.1627E-08	9.5238E+02	-2.9372E-05	Fx	5.7563E-03	1.7424E-02	7.3205E+02
Mz<sup>2</sup>	-3.6424E-05	3.4720E-03	-1.4172E-03	Fx	5.7563E-03	1.7424E-02	7.3205E+02
Mz<sup>2</sup>	-3.6424E-05	3.4720E-03	-1.4172E-03	Fy<sup>2</sup>	1.9513E-03	2.1062E-02	0.0000E+00
Fx<sup>2</sup>	0.0000E+00	0.0000E+00	0.0000E+00	Fy<sup>2</sup>	1.9513E-03	2.1062E-02	0.0000E+00
Fx<sup>2</sup>	0.0000E+00	0.0000E+00	0.0000E+00	Mz·Fy	1.2850E-22	0.0000E+00	0.0000E+00
Mz·Fx	-2.8912E-20	0.0000E+00	0.0000E+00	Mz·Fy	1.2850E-22	0.0000E+00	0.0000E+00
Mz·Fx	-2.8912E-20	0.0000E+00	0.0000E+00	Fy·Fx	-1.6424E-07	2.7424E-06	4.4172E-05

不同分量风洞天平、不同数量和安装位置激光位移传感器及多个加载点的计算原理同上实施例中三分量风洞天平，在此就不一一描述。

本发明未详细说明的部分为本领域技术人员公知技术。

Claims

1.一种支座反力式风洞天平体轴系静态校准的方法，其特征在于通过如下步骤实现：

第一步，将风洞天平(3)的模型连接端固定在刚性基座(4)上；

第二步，将加载装置(2)安装在风洞天平(3)的支杆连接端，在加载装置(2)上预设加载点；

第三步，根据实际测量要求确定刚性支架的位置，再把激光位移传感器(1)安装到刚性支架上，风洞天平(3)、激光位移传感器(1)分别与数据采集设备数据线连接；

第四步，用数据采集设备采集激光位移传感器(1)输出的电压信号V₀和风洞天平(3)在初始状态的电压信号U₀；

第五步，在加载装置(2)预设的加载点施加载荷W给风洞天平(3)加载，数据采集设备采集风洞天平(3)变形后的电压信号U和激光位移传感器(1)的电压信号V；

第六步，通过激光位移传感器公式、激光位移传感器的电压信号增量ΔV，计算加载装置(2)的角位移和线位移及加载装置(2)上加载点的线位移，其中ΔV＝V-V₀；

第七步，根据第六步计算的加载装置(2)的角位移和线位移及加载装置(2)上加载点的线位移求解加载点载荷的实际方向，并按体轴系方向进行分解；

第八步，将所施加载荷W平移到体轴系原点，求刚性基座(4)在体轴系原点对风洞天平(3)产生的支座反力，以此作为风洞天平(3)的体轴系载荷；

第九步，重复第五步到第八步，得到不同加载点、不同的载荷W和不同加载方向时风洞天平(3)加载前后输出电压信号的增量ΔU和体轴系载荷，其中ΔU＝U-U₀。