CN104713694B - 应用于低速风洞的高升阻比天平 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种应用于低速风洞试验的高升阻比天平，其包括试验模型连接锥、组合测力元件、天平基体、阻力测量元件、支撑片和支杆连接锥，天平基体的两端分别通过组合测力元件与模型连接锥和支杆连接锥相连，天平基体被一条穿过天平设计中心的前后贯通的斜槽分为上下两部分，天平基体的上下两部分通过关于天平设计中心对称的前后左右四组支撑片连接为一个整体，在天平基体前后关于天平设计中心对称地分别设置有凹槽，在两个凹槽中分别配置有一个阻力测量元件，阻力测量元件为形梁，每个形梁的两端都分别通过柔性铰链与天平基体相连，并且两个形梁关于纵向对称轴以前上后下的方式反对称配置。本发明测量精度高、抗干扰能力强、抗扭转刚度好。

Description

应用于低速风洞的高升阻比天平

技术领域

本发明涉及一种应用于低速风洞的高升阻比天平，尤其涉及一种低速风洞六分量测力天平，主要应用于大展弦比飞机的常规风洞试验。

背景技术

在低速风洞的常规测力试验中，由于飞行器的展弦比都不大，测力天平的升阻比一般都比较小。近年来，随着无人机技术的快速发展，高空长航时无人机在军事领域发挥了很重要的作用。高空长航时无人机要想飞得高、速度快、航时长，其气动外形布局一般都采用大展弦比机翼等非常规设计，使全机的升阻比达到了30以上。为了适应大展弦比机翼飞机气动布局研究，目前，国外已经建立了包括常规测力试验技术、TPS试验技术等一系列大展弦比飞机的测力试验技术。由于受到实验设备等原因的限制，我国大展弦比飞机实验技术起步较晚，在高升阻比高精度测力天平设计方面还有很多不足。

目前，FD-09风洞大展弦比无人机进行测力试验使用的仍然是传统的测力天平，传统的测力天平难以满足高升阻比要求。

发明内容

为了满足大展弦比无人机低速风洞测力试验的需要，我们研制了适用于低速风洞测力试验的高升阻比天平，以提高低速风洞的试验能力。该天平放大了阻力信号，使用柔性铰链减弱了其他分量对阻力的干扰，提高了阻力的测量精度。该天平还采用了八柱梁组合测力元件，在增加侧向力测量元件应变的同时增加了滚转方向的刚度。这是FD-09风洞的第一杆高升阻比天平，同时也是低速风洞测力天平在结构设计方面的创新。

本发明克服现有技术的不足，发明了一种可应用于低速风洞测力试验的高升阻比天平。该发明克服了常规测力天平阻力和侧向力测量精度不足的缺点，有效的提高了FD-09风洞在大展弦比无人机测力试验方面的试验能力。

本发明的应用于低速风洞的高升阻比天平包括试验模型连接锥、组合测力元件、天平基体、阻力测量元件、支撑片和支杆连接锥，所述天平基体为圆柱体，其两端分别通过所述组合测力元件与所述模型连接锥和所述支杆连接锥相连，所述天平基体的横向对称轴和纵向对称轴的交点为天平设计中心，所述天平基体被一条穿过所述天平设计中心的前后贯通的斜槽分为上下两部分，所述天平基体的上下两部分通过关于所述天平设计中心对称的前后左右四组支撑片连接为一个整体，在所述天平基体前后关于天平设计中心对称地分别设置有凹槽，在两个所述凹槽中分别配置有一个阻力测量元件，所述阻力测量元件为形梁，每个所述形梁的两端都分别通过柔性铰链与所述天平基体相连，并且两个所述形梁关于所述纵向对称轴以前上后下的方式反对称配置。

优选所述组合测力元件为八柱梁结构，包括分别关于水平面对称布置的上、下测量梁和上、下支撑梁和分别关于竖直面对称布置的左、右测量梁和左、右支撑梁，并且所述支撑梁均配置于相应的所述测量梁的内侧，其中上、下所述测量梁和上、下所述支撑梁的截面尺寸分别大于左、右所述测量梁和左、右所述支撑梁的截面尺寸，两组所述组合测力元件关于所述天平的设计中心对称。

优选每组所述支撑片分别包括四片支撑片，所述支撑片均为截面尺寸相同的矩形梁。

优选所述矩形梁的厚度为0.3mm。

优选所述模型连接锥和所述支杆连接锥关于所述天平的设计中心对称。

优选所述应用于低速风洞的高升阻比天平为一体成型的天平。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明的设计载荷及其外围尺寸完全符合大展弦比无人机风洞试验的要求，属于专用天平，该天平有效的提高了FD-09风洞的试验能力。

(2)本发明提高了阻力的测量精度和抗干扰能力。

(3)本发明提高了侧向力的输出信号和测量精度。

(4)本发明有效的提高了天平的抗扭转刚度。

附图说明

图1为天平的正视图。

图2为天平的后视图。

图3为图2的A-A剖视图。

图4为图2的B-B剖视图。

具体实施方式

根据大展弦比无人机气动力的分配特性，天平的设计载荷中阻力(X)和侧向力(Z)较小，升力(Y)、滚转力矩(Mx)和俯仰力矩(Mz)较大，依照传统的设计原则，天平的设计载荷不匹配。为了解决上述问题，本发明利用反对称布置的形阻力测量元件加柔性铰链的结构方式来放大阻力输出信号，减小其他分量对阻力的干扰。利用八柱梁组合测力元件取代传统的四柱梁组合测力元件，在增加扭转刚度的同时减小侧向的抗弯刚度，以此保证天平侧向力有较大的输出信号和较小的扭转变形。

以下结合附图详细介绍本发明。

如图1、图2所示，本发明为整体结构，主要具有试验模型连接锥1、组合测力元件2、天平基体3、阻力测量元件4、支撑片5和支杆连接锥6。天平基体3为圆柱体，其两端分别通过组合测力元件2与模型连接锥1和支杆连接锥6。天平基体3的横向对称轴和纵向对称轴的交点为天平设计中心，模型连接锥1和支杆连接锥6关于天平设计中心对称布置，分别用来连接试验模型和试验设备的支杆。

天平基体3被一条穿过天平设计中心的前后贯通的斜槽31分为上下两部分，天平基体3的上下两部分通过关于天平设计中心对称的前后左右四组支撑片5连接为一个整体，支撑片5还具有传递力和力矩的作用。四组支撑片5的每组都具有四片支撑片5。所有支撑片5均为截面尺寸相同的矩形梁，梁的厚度只有0.3mm，以此保证支撑片5对阻力的传递效率，减少中间损耗。

在天平基体3前后关于天平设计中心对称地分别设置有凹槽，在该两个凹槽中分别配置有一个阻力测量元件4，阻力测量元件4包括形梁42和柔性铰链41，每个形梁42两端都通过柔性铰链41与天平基体相连(参照图4)，并且两个形梁42关于上述的纵向对称轴以前上后下的方式反对称配置(本文中的上下左右前后均以正对纸面所视为准)。形梁类似于力矩放大器，将阻力转换为对测量梁中性层的力矩，以此放大阻力的信号，柔性铰链41可以减小其他分量对阻力的干扰，保证阻力的测量精度。每个形梁42都粘贴有电阻应变片，通过电阻应变片组成的电桥将测量梁的应变值转换成电信号输出，再通过天平校准公式将电信号换算成力值，完成阻力的测量。

如图3所示，组合测力元件2共两组，关于天平设计中心对称布置。组合测力元件2为八柱梁结构，包括分别关于水平面上下对称布置的上、下测量梁21、上、下支撑梁22，分别关于竖直面左右对称布置的左、右测量梁23、左、右支撑梁24，并且所有的支撑梁均配置于相应的测量梁的内侧。其中测量梁21、支撑梁22的截面尺寸明显大于测量梁23、支撑梁24的截面尺寸，以此减小天平侧向抗弯刚度，同时八柱梁的布局也增大了天平的抗扭转刚度。每个测量梁都粘贴有电阻应变片，通过电阻应变片组成的电桥将测量梁的应变值转换成电信号输出，再通过天平校准公式将电信号换算成力值，完成阻力之外的力和力矩的测量。

本发明中，天平的阻力测量元件采用形梁，梁的两端通过柔性铰链与天平本体相连，其中形阻力元件类似于力矩放大器，将阻力转换为对测量梁中性层的力矩，以此增大阻力测量元件的应变值，柔性铰链可以减小其他分量对阻力的干扰，保证阻力的测量精度。并且由于该天平主要用于大展弦比无人机的风洞试验，大展弦比无人机侧向力小，俯仰和滚转力矩较大。针对试验对象的特点，该天平采用了八柱梁组合测力元件来测量除阻力外的其他五个分量。八柱梁的上下四根梁截面尺寸较大，左右四根梁的截面尺寸较小。这种八柱梁结构可以有效的增加天平的抗扭转刚度，同时降低侧向力方向的抗弯刚度，以此增加侧向力测量元件的应变值。八柱梁组合测力元件共两组，关于天平的设计中心对称。该天平和其他天平的测量原理一致，通过测量梁的应变引起粘贴在测量梁上的应变片的变形，从而引起应变片阻值的变化进而改变天平的输出电压。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

以上对本发明的优选实施方式进行了说明，但本发明并不限定于上述实施例。对本领域的技术人员来说，在权利要求书所记载的范畴内，显而易见地能够想到各种变更例或者修正例，当然也属于本发明的技术范畴。

Claims (5)

1.一种应用于低速风洞的高升阻比天平，其特征在于：包括试验模型连接锥、组合测力元件、天平基体、阻力测量元件、支撑片和支杆连接锥，所述天平基体为圆柱体，其两端分别通过所述组合测力元件与所述模型连接锥和所述支杆连接锥相连，所述天平基体的横向对称轴和纵向对称轴的交点为天平设计中心，所述天平基体被一条穿过所述天平设计中心的前后贯通的斜槽分为上下两部分，所述天平基体的上下两部分通过关于所述天平设计中心对称配置的前后左右四组支撑片连接为一个整体，在所述天平基体前后关于所述天平设计中心对称地分别设置有凹槽，在两个所述凹槽中分别配置有一个阻力测量元件，所述阻力测量元件为П形梁，每个所述П形梁的两端都分别通过柔性铰链与所述天平基体相连，并且两个所述П形梁关于所述纵向对称轴以前上后下的方式反对称配置，所述组合测力元件为八柱梁结构，包括分别关于水平面对称布置的上、下测量梁和上、下支撑梁和分别关于竖直面对称布置的左、右测量梁和左、右支撑梁，并且所述支撑梁均配置于相应的所述测量梁的内侧，其中上、下所述测量梁和上、下所述支撑梁的截面尺寸分别大于左、右所述测量梁和左、右所述支撑梁的截面尺寸，两组所述组合测力元件关于所述天平的设计中心对称。

2.根据权利要求1所述的一种应用于低速风洞的高升阻比天平，其特征在于：每组所述支撑片分别包括四片支撑片，所述支撑片均为截面尺寸相同的矩形梁。

3.根据权利要求2所述的一种应用于低速风洞的高升阻比天平，其特征在于：所述矩形梁的厚度为0.3mm。

4.根据权利要求1所述的一种应用于低速风洞的高升阻比天平，其特征在于：所述模型连接锥和所述支杆连接锥关于所述天平的设计中心对称。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的一种应用于低速风洞的高升阻比天平，其特征在于：所述应用于低速风洞的高升阻比天平为一体成型的天平。