CN104198154A - 一种双端测力装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双端测力装置及测量方法，属于航空航天测力试验气动力测量技术领域，用于针对风洞气动、运动耦合研究的测力试验时，测量分段试验模型的高精度和准度的六分量气动力；所述的双端测力装置是一整块高弹性钢材加工而成，内部为中空结构，包括前段模型连接端、前段天平、固定端、后段天平和后段模型连接端组成，所述的前、后段天平分别采用“米”字梁和“I”形梁作为弹性敏感元件，其具体尺寸不同；所述的测量方法是通过前段天平和后段天平联合测量试验模型的气动合力与力矩。本发明解决了特种试验中分段模型同时进行六分量测力的问题，可广泛应用于吊架支撑、张线支撑、腹支撑方式等模型中部支撑方式的风洞测力试验中。

Description

一种双端测力装置及测量方法

技术领域

本发明属于风洞气动力测量装置技术领域，具体涉及一种双端测力装置及测量方法。 

背景技术

目前在常规风洞测力试验中普遍采用内式天平，其结构形式多样、尺寸大小成系列、量程和应用范围具有针对性，不同的飞行器测力试验需要研制不同的天平来测量气动力。根据结构形式不同，内式天平可分为杆式天平、环式天平和片式天平。其中，杆式天平广泛应用于飞机或导弹的全模测力试验中，环式天平和片式天平主要用于一些具有特殊要求的测力试验：如矢量喷流、部件测力和铰链力矩试验等。在这类试验中，天平与模型通常没有相对运动，天平接口总是一端与固定端支杆相连，另一端与试验模型相连。天平既是测量气动力的重要装置，也是支撑模型的受力部件。 

但是这类天平不能直接运用于气动/运动耦合研究的测力试验中，原因如下：一是试验要求模型可自由滚转，在进行风洞试验时模型是相对于支架和测量装置运动的；二是试验模型一般被分为前、后两段，模型与天平连接方式不同于常规试验；三是模型细长，常规天平难以实现载荷匹配、获得理想的信号输出。 

《实验流体力学》于2014年2月在《２.4米×2.4米跨声速风洞虚拟飞行试验天平研制》一文中公开了一种四分量的虚拟飞行试验天平，仅能粗略的测量出升力、俯仰力矩、侧向力和偏航力矩四个分量，采用了简单的四柱梁作为弹性敏感元件，横向刚度很小，非常容易损坏，尤其无法测量滚转力矩和阻力，并且固定端采用非对称法兰结构，增大了靠近法兰连接端的装配应力干扰，测量准度不高。 

发明内容

本发明为了解决气动、运动耦合研究的测力试验中分段模型中部支撑时的六分量气动力测量问题，提供一种双端测力装置及测量方法。 

为实现上述目的采用如下技术方案： 

一种双端测力装置，包括固定端、连接端和测试段，所述固定端的两端分别连接一个测试段，所述两个测试段的另一端分别连接一个连接端；所述测力装置的固定端、测试段和连接端为一体结构；所述测力装置内部为中空结构，两个连接端内部的中空空间分别内设置有轴承，轴承的外围与连接端内壁固定，转轴的一端从一个连接端的轴承内穿入、从另一个连接端的轴承内穿出；所述测试段内部设置有敏感元件。

在上述技术方案中，所述测力装置内部的中空结构为同轴中空结构。 

在上述技术方案中，所述测试段为六分量应变天平。 

在上述技术方案中，所述敏感元件设置在中空结构的四周。 

在上述技术方案中，所述敏感元件为“米”字梁的弹性敏感元件用于提高滚转力矩测量灵敏度。 

在上述技术方案中，所述敏感元件为“I”型梁的弹性敏感元件用于提高阻力测量灵敏度。 

在上述技术方案中，所述转轴为柔性转轴，所述柔性转轴或为波纹管。 

一种双端测力方法，该方法为： 

将双端测力装置的固定端与风洞支撑装置固定连接；

将被测模型切开为两段，被切开的两段模型的切开处分别连接在双端测力装置中转轴的两端；

被切开的两端模型在转轴和轴承的作用下实现同步滚转，测力装置上的两个测试段将所受力转化为电压输出信号；

采集测力装置上两个测试段上的电压输出信号，代入校准公式计算，实现测量作用在两段模型上的空气动力载荷，即力与力矩的作用点、大小和方向。

本发明中，测力装置的固定端两端的测试段分别为前段天平和后段天平，与前段天平连接的连接端为前段模型连接端，与后段天平连接的连接端为后段模型连接端；所述的前段天平和后段天平为六分量应变天平，分别采用“米”字梁和“I”形梁作为弹性敏感元件，其具体尺寸不同，它们通过固定端与风洞支撑装置相连，所述的前段模型连接端和后段模型连接端通过轴承及其内部的柔性转轴与试验模型前段和后段分别相连；所述的测力装置是一整块钢材加工而成，内部为中空结构，安装有轴承和柔性转轴用于支撑前段模型和后段模型；所述的固定端被前段天平和后段天平共用，设置有定位销孔。 

  

前段天平和后段天平试验前在地面进行校准，获得它们相互干扰系数以及轴承引起的误差，最终合成一套综合的校准公式；试验时通过采集系统同时采集前段天平和后段天平的电压输出信号，代入校准公式计算，实现测量作用在前段模型与后段模型上的空气动力载荷，即力与力矩的作用点、大小和方向；所述的前段天平和后段天平设计成六个分量，其结构形式或尺寸不同，根据前段模型和后段模型所受气动力载荷确定。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是： 

1、本发明的双端测力装置可实现分段模型伴随滚转运动的气动力动态测量，适用于弹类模型的气动/运动耦合测力特种试验。

2、突破了此类天平四分量测量限制，最多可以测量六个分量，尤其能够测量小滚转力矩和阻力。 

3、“米”字梁和“I”形梁作为弹性敏感元件，结构简单，刚度大，承载能力强，便于加工。 

4、双端测力装置的测量方法简单，可以同时测量分段模型的气动合力与力矩，为飞行器运动控制提供实时的气动力数据。 

本发明解决了特种试验中分段模型同时进行六分量测力的问题，可广泛应用于吊架支撑、张线支撑、腹支撑方式等模型中部支撑方式的风洞特种复杂气动/运动耦合测力试验中。 

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中： 

图1是本发明的双端测力装置及测量方法主视图；

图2是本发明的双端测力装置及测量方法俯视图；

图3是图2的A-A剖视图；

图4是图3的B-B剖视图；

图5是图3的C-C剖视图；

图中：1是前段模型连接端，2是前段天平，21是“米”字梁，22是“I”形梁，3是固定端，4是后段天平，5是后段模型连接端。

具体实施方式

如图1所示，本发明所述的双端测力装置，主要包括前段模型连接端、前段天平、固定端、后段天平和后段模型连接端组成，所述的前段天平和后段天平为六分量应变天平，分别采用“米”字梁和“I”形梁作为弹性敏感元件，其具体尺寸不同，它们通过固定端与风洞支撑装置相连。所述的前段模型连接端和后段模型连接端通过轴承以及内部的柔性转轴与试验模型前段和后段分别相连，实现模型的滚转运动；所述的测力装置是一整块钢材加工而成，内部为中空结构，安装有轴承和柔性转轴用于支撑前段模型和后段模型，柔性转轴的作用是连接前段模型和后段模型，尽可能不将分段模型所受的除滚转力矩外的气动力传递到对应天平上造成干扰；所述的固定端被前段天平和后段天平共用，设置有定位销孔，通过销钉定位，“抱箍”方式紧固，保证其连接可靠，安装拆卸方便。 

双端测力装置的测量方法，该方法的实现步骤为：将固定端与风洞支撑装置相连，销钉定位、“抱箍”上用螺栓固紧；所述的前段模型连接端通过轴承内的柔性转轴与前段模型相连，用于支撑前段模型，并将前段模型主要气动力载荷传递到前段天平上进行测量；后段模型连接端通过轴承内的柔性转轴与试验模型后段相连，用于支撑模型后段，并将后段模型主要气动力载荷传递到后段天平上进行测量；前段模型与后段模型通过轴承内部的柔性转轴连接，实现模型滚转； 

前段天平和后段天平试验前在地面进行校准，获得它们相互干扰系数以及轴承引起的误差，最终合成一套综合的校准公式；

试验时通过采集系统同时采集前段天平和后段天平的电压输出信号，代入校准公式计算，实现测量作用在前段模型与后段模型上的空气动力载荷，即力与力矩的作用点、大小和方向；

所述的前段天平和后段天平最多可设计成六个分量，其结构形式或尺寸不同，根据前段模型和后段模型所受气动力载荷确定。

天平基于“应变天平”测量原理，对于所述的前段天平，前段试验模型所受气动力通过柔性转轴及轴承传递到前段模型连接段，因柔性转轴刚度小，大部分力和力矩都传递到前段天平的测量元件上，粘贴在测量元件上的惠斯通电桥不平衡而输出电压信号，通过天平校准得到测量元件的主项系数和测量元件各分量的干扰系数计算出前段模型所受气动力；小部分力和力矩经过柔性转轴传递到另一端的后段天平的测量元件上，粘贴在测量元件上的惠斯通电桥输出电压信号，这是前段天平对后段天平的干扰，通过天平校准得到干扰系数修正计算结果。所述的后段天平的测量原理及过程与前段天平相同，在天平校准时，前段天平和后段天平的所有分量的差分直流电压信号同时接入数据采集系统，天平校准完毕后得到一套包含所有分量的天平工作公式。 

参看图1和图2，本发明的双端测力装置是一种中部为固定端、前段天平和后段天平两台天平公用固定端的结构布局，设有前段模型连接端和后段模型连接端，并将气动力与力矩传递到所述的前段天平和后段天平进行联合测量。 

参看图3，本发明所述的双端测力装置其内部为中空结构，通过设置的轴承及其内部的柔性转轴连接，实现模型滚转和气动力与力矩的传递。择优的，在前段模型连接端和后段模型连接端内部分别设置有两组角接触球轴承，并且柔性转轴穿过轴承，在其两端分别与前段模型与后段模型连接。择优的，所述的柔性转轴可设计成波纹管连接的两段，通过波纹管与前段天平和后段天平的刚度匹配设计，使柔性转轴主要传递滚转力矩而基本不传递其它五个分量的力和力矩。 

图4是图3中B-B剖视图，是所述的前段天平的升力、俯仰力矩、滚转力矩、侧力及偏航力矩测量元件。择优的，选择 “米”字梁作为弹性敏感元件，以增强天平的刚度和滚转力矩测量灵敏度。 

图5是图3中C-C剖视图，是所述的前段天平的阻力测量元件。择优的，选择“I”型梁作为弹性敏感元件，以提高阻力测量灵敏度。 

所述的后段天平的测量元件的位置关系与测量原理与所述的前段天平类似，一般根据后段模型CFD估算的载荷确定具体尺寸和结构，后段天平的测量元件所承受的载荷比前段天平承受的载荷要大，需要选择刚度大，抗干扰能力强的测量元件。 

所述的前段天平和后段天平设置有独立的电气设计中心，分别位于各自的阻力测量元件对称中心上。天平的校准中心尽量靠近电气设计中心，以减小附加力矩对校准结果的影响。 

在完成本发明所述的双端测力装置变计粘贴后、天平校准前要对天平进行组装，具体过程是：先将一组角接触球轴承套在柔性转轴有轴肩的一端，再将柔性转轴插入所述的双端测力装置，安装轴承端盖，然后将另一组角接触球轴承套在柔性转轴前端并推入所述的双端测力装置内，将轴套套在柔性转轴上推入所述的双端测力装置内，最后安装轴承端盖。必要时，需要在轴承端盖安装前加装调整垫片，以保证安装位置。天平各分量电桥线路沿所述的双端测力装置的走线槽从固定端引出。 

风洞测力试验过程中，前段天平和后段天平同时受力和力矩作用，各分量输出的电压信号被数据采集系统实时采集，通过天平工作公式将电压信号换算为气动力绝对值，最终计算出模型所受的气动合力与力矩。 

在阻力测量时，由于柔性转轴主要传递滚转力矩，因此前段天平和后段天平相互干扰很小，既解决了阻力测量困难，又提高了测量的准度。 

在滚转力矩测量时，如果利用前段模型内部的电磁离合器控制柔性转轴不转动，那么测量结果为模型所受的滚转力矩以及测量轴承的滚转摩擦力产生的滚转力矩之和；如果模型自由匀速自由滚转，则可以测量轴承的滚转摩擦力产生的滚转力矩，用于修正数据，获得更加精确的气动滚转力矩；如果模型加速自由滚转，还可以获得惯性滚转力矩。 

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。 

 模型连接端不是直接通过轴承与模型相连接，这里的连接关系是这样的：模型连接端与轴承外圈连接，轴承内圈与柔性转轴连接，柔性转轴的两端分别连接模型，因此轴承与模型是不直接联系的，是通过内部穿入的柔性转轴连接模型的。 

Claims (8)

1.一种双端测力装置，包括固定端、连接端和测试段，所述固定端的两端分别连接一个测试段，所述两个测试段的另一端分别连接一个连接端；其特征在于所述测力装置的固定端、测试段和连接端为一体结构；所述测力装置内部为中空结构，两个连接端内部的中空空间分别设置有轴承，轴承的外围与连接端内壁固定，转轴的一端从一个连接端的轴承内穿入、从另一个连接端的轴承内穿出；所述测试段内部设置有敏感元件。

2.根据权利要求1所述的一种双端测力装置，其特征在于所述测力装置内部的中空结构为同轴中空结构。

3.根据权利要求1所述的一种双端测力装置，其特征在于所述测试段为六分量应变天平。

4.根据权利要求1所述的一种双端测力装置，其特征在于所述敏感元件设置在中空结构的四周。

5.根据权利要求4所述的一种双端测力装置，其特征在于所述敏感元件为“米”字梁的弹性敏感元件用于提高滚转力矩测量灵敏度。

6.根据权利要求4所述的一种双端测力装置，其特征在于所述敏感元件为“I”型梁的弹性敏感元件用于提高阻力测量灵敏度。

7.根据权利要求1所述的一种双端测力装置，其特征为所述转轴为柔性转轴，所述柔性转轴或为波纹管。

8.一种双端测力方法，其特征在于该方法为：

将双端测力装置的固定端与风洞支撑装置固定连接；

将被测模型切开为两段，被切开的两段模型的内腔适当的位置分别连接在双端测力装置中转轴的两端；

被切开的两端模型在转轴和轴承的作用下实现同步滚转，测力装置上的两个测试段将所受力转化为电压输出信号；

采集测力装置上两个测试段上的电压输出信号，代入校准公式计算，实现测量作用在两段模型上的空气动力载荷，即力与力矩的作用点、大小和方向。