CN104849016A - 一种微量风洞天平及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微量风洞天平,其能够在稀薄气体风洞环境下同时测量多分量的微小力和力矩。这种微量风洞天平，其包括横梁、立梁，横梁的一端与要测量模型刚性连接且另一端与立梁连接，横梁包括相互正交的水平薄板和竖直薄板，立梁包括支座和铅垂薄板，支座固定在风洞中，铅垂薄板垂直于横梁的轴线，所述横梁穿过支座与铅垂薄板连接，水平薄板、竖直薄板、铅垂薄板均是弹性元件。还提供了一种采用这种微量风洞天平的测试方法。

Description

一种微量风洞天平及其测试方法

技术领域

本发明属于空气动力学的技术领域，具体地涉及一种微量风洞天平，以及采用该微量风洞天平的测试方法。

背景技术

风洞天平是用来测量飞行器(模型)气动力的重要风洞测试装置，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，所以风洞天平对于飞行器设计是非常重要的试验测试工具，因此受到越来越多的关注。

有一些风洞天平能够实现在正常情况下三个、甚至四个分量的同时测量，但是目前的风洞天平都不能同时测量多分量的微小力和力矩，尤其是在稀薄气体风洞环境下。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种微量风洞天平,其能够在稀薄气体风洞环境下同时测量多分量的微小力和力矩。

本发明的技术解决方案是：这种微量风洞天平，其包括横梁、立梁，横梁的一端与要测量模型刚性连接且另一端与立梁连接，横梁包括相互正交的水平薄板和竖直薄板，立梁包括支座和铅垂薄板，支座固定在风洞中，铅垂薄板垂直于横梁的轴线，所述横梁穿过支座与铅垂薄板连接，水平薄板、竖直薄板、铅垂薄板均是弹性元件。

还提供了一种采用这种微量风洞天平的测试方法，包括以下步骤：

(1)在铅垂薄板的第一测点(P_D)上放置应变片来测量铅垂薄板的弯曲应变根据公式(1)得到气动阻力F_z

$F_z={\mathrm{\ϵ}}_{22}^D\frac{2E{I}_{\mathrm{xx}}^D}{l_{D}b}---\left(1\right)$

其中E为梁材料弹性模量，为第一测点(P_D)截面对相应弯曲轴的惯性矩，a_D为第一测点的宽度、b为第一测点的厚度，l_D为第一测点中心与横梁、立梁接触点的距离；

(2)在横梁的第ij个测点(P_ij)上分别放置应变片来测量水平薄板、竖直薄板的弯曲应变和i＝1,2；j＝1,2，根据公式(2)得到气动升力F_y、偏航力F_x、俯仰力矩M_x和偏航力矩M_y

$\left(\begin{array}{c}{M}_x\\ F_y\\ M_y\\ F_x\end{array}\right)=T^{-1}\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_{33}^{11}\\ {\mathrm{\ϵ}}_{33}^{12}\\ {\mathrm{\ϵ}}_{33}^{21}\\ {\mathrm{\ϵ}}_{33}^{22}\end{array}\right)---\left(2\right)$

其中

$T=\left[\begin{array}{cccc}{T}_{11}=-\frac{b}{2E{I}_{\mathrm{xx}}^h}& T_{12}=-\frac{b{l}_{11}}{2E{I}_{\mathrm{xx}}^h}& T_{13}=-\frac{a-w}{2E{I}_{\mathrm{yy}}^h}& T_{14}=\frac{(a-w)l_{11}}{2E{I}_{\mathrm{yy}}^h}\\ T_{21}=-\frac{b}{2E{I}_{\mathrm{xx}}^h}& T_{22}=-\frac{b{l}_{12}}{2E{I}_{\mathrm{xx}}^h}& T_{23}=-\frac{a-w}{2E{I}_{\mathrm{yy}}^h}& T_{24}=\frac{(a-w)l_{12}}{2E{I}_{\mathrm{yy}}^h}\\ T_{31}=-\frac{a-w}{2E{I}_{\mathrm{xx}}^v}& T_{32}=-\frac{(a-w)l_{21}}{2E{I}_{\mathrm{xx}}^v}& T_{33}=-\frac{b}{2E{I}_{\mathrm{yy}}^v}& T_{34}=\frac{b{l}_{21}}{2E{I}_{\mathrm{yy}}^v}\\ T_{41}=-\frac{a-w}{2E{I}_{\mathrm{xx}}^v}& T_{42}=-\frac{(a-w)l_{22}}{2E{I}_{\mathrm{xx}}^v}& T_{43}=-\frac{b}{2E{I}_{\mathrm{yy}}^v}& T_{44}=\frac{b{l}_{22}}{2E{I}_{\mathrm{yy}}^v}\end{array}\right]$

l_ij为第ij个测点与模型安装点的轴向距离，w/2为第ij个测点(P_ij)与水平薄板或垂直薄板的侧边缘的垂直距离，

由于横梁的一端与要测量模型刚性连接且另一端连接立梁，所以要测量模型承受的气动力和气动力矩将传递、作用到水平薄板、竖直薄板、铅垂薄板上，采用本发明的这种结构，横梁能够作为测量气动升力、偏航力、俯仰力矩和偏航力矩的弹性元件，立梁能够作为测量气动阻力的弹性元件，而通过应变片获得各个测点处应变，再通过本发明的公式就可以同时获得气动升力、偏航力、俯仰力矩、偏航力矩、气动阻力这五个分量的微小力和力矩。

附图说明

图1是根据本发明的微量风洞天平的结构示意图。

图2是图1的微量风洞天平的主视图。

图3是图1的微量风洞天平的俯视图。

图4是图1的微量风洞天平的左视图。

图5是图1的微量风洞天平的右视图。

具体实施方式

本发明针对稀薄气体风洞环境的微力测量，设计了一种微量风洞天平以及测试原理。该天平主体弹性元件由变截面异形梁构成，采用高灵敏度应变测试技术，可以测量弹性元件复合变形；通过反演计算可获得mN量级的气动阻力、升力和偏航力，及相应量级的俯仰力矩和偏航力矩，共计五个分量。

如图1-5所示，这种微量风洞天平，其包括横梁、立梁，横梁的一端与要测量模型刚性连接且另一端与立梁连接，横梁包括相互正交的水平薄板1和竖直薄板2，立梁包括支座3和铅垂薄板4，支座固定在风洞中，铅垂薄板垂直于横梁的轴线，所述横梁穿过支座与铅垂薄板连接，水平薄板、竖直薄板、铅垂薄板均是弹性元件。

另外，所述立梁与所述横梁通过轴承连接，横梁在立梁的轴孔内滑动。气动阻力F_z的作用将使横梁发生平移，并导致立梁上垂直于横梁平移方向的铅垂薄板发生弯曲。

另外，所述铅垂薄板具有从底部到中部的凹槽。这样的形状对于应变测量更加灵敏，而且节约弹性材料。

另外，所述水平薄板、竖直薄板、铅垂薄板的厚度均为b，所述水平薄板、竖直薄板的宽度均为a，所述铅垂薄板的凹槽的宽度为a-a_D，其中a、b、a_D>0。这样实际上水平薄板、竖直薄板、铅垂薄板的厚度均为b，所述水平薄板、竖直薄板、铅垂薄板上部的宽度均为a。对于加工制造，测量计算都很方便简单。

还提供了一种采用这种微量风洞天平的测试方法，包括以下步骤：

(1)在铅垂薄板的第一测点(P_D)上放置应变片来测量铅垂薄板的弯曲

应变根据公式(1)得到气动阻力F_z

$F_z={\mathrm{\ϵ}}_{22}^D\frac{2E{I}_{\mathrm{xx}}^D}{l_{D}b}---\left(1\right)$

其中E为梁材料弹性模量，为第一测点(P_D)截面对相应弯曲轴的惯性矩，a_D为第一测点的宽度、b为第一测点的厚度，l_D为第一测点中心与横梁、立梁接触点的距离；

(2)在横梁的第ij个测点(P_ij)上分别放置应变片来测量水平薄板、竖直薄板的弯曲应变和i＝1,2；j＝1,2，根据公式(2)得到气动升力F_y、偏航力F_x、俯仰力矩M_x和偏航力矩M_y

$\left(\begin{array}{c}{M}_x\\ F_y\\ M_y\\ F_x\end{array}\right)=T^{-1}\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_{33}^{11}\\ {\mathrm{\ϵ}}_{33}^{12}\\ {\mathrm{\ϵ}}_{33}^{21}\\ {\mathrm{\ϵ}}_{33}^{22}\end{array}\right)---\left(2\right)$

其中

$T=\left[\begin{array}{cccc}{T}_{11}=-\frac{b}{2E{I}_{\mathrm{xx}}^h}& T_{12}=-\frac{b{l}_{11}}{2E{I}_{\mathrm{xx}}^h}& T_{13}=-\frac{a-w}{2E{I}_{\mathrm{yy}}^h}& T_{14}=\frac{(a-w)l_{11}}{2E{I}_{\mathrm{yy}}^h}\\ T_{21}=-\frac{b}{2E{I}_{\mathrm{xx}}^h}& T_{22}=-\frac{b{l}_{12}}{2E{I}_{\mathrm{xx}}^h}& T_{23}=-\frac{a-w}{2E{I}_{\mathrm{yy}}^h}& T_{24}=\frac{(a-w)l_{12}}{2E{I}_{\mathrm{yy}}^h}\\ T_{31}=-\frac{a-w}{2E{I}_{\mathrm{xx}}^v}& T_{32}=-\frac{(a-w)l_{21}}{2E{I}_{\mathrm{xx}}^v}& T_{33}=-\frac{b}{2E{I}_{\mathrm{yy}}^v}& T_{34}=\frac{b{l}_{21}}{2E{I}_{\mathrm{yy}}^v}\\ T_{41}=-\frac{a-w}{2E{I}_{\mathrm{xx}}^v}& T_{42}=-\frac{(a-w)l_{22}}{2E{I}_{\mathrm{xx}}^v}& T_{43}=-\frac{b}{2E{I}_{\mathrm{yy}}^v}& T_{44}=\frac{b{l}_{22}}{2E{I}_{\mathrm{yy}}^v}\end{array}\right]$

l_ij为第ij个测点与模型安装点的轴向距离，w/2为第ij个测点(P_ij)与水平薄板或垂直薄板的侧边缘的垂直距离，

由于横梁的一端与要测量模型刚性连接且另一端连接立梁，所以要测量模型承受的气动力和气动力矩将传递、作用到水平薄板、竖直薄板、铅垂薄板上，采用本发明的这种结构，横梁能够作为测量气动升力、偏航力、俯仰力矩和偏航力矩的弹性元件，立梁能够作为测量气动阻力的弹性元件，而通过应变片获得各个测点处应变，再通过本发明的公式就可以同时获得气动升力、偏航力、俯仰力矩、偏航力矩、气动阻力这五个分量的微小力和力矩。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。

Claims (5)

1.一种微量风洞天平，其特征在于：其包括横梁、立梁，横梁的一端与要测量模型刚性连接且另一端与立梁连接，横梁包括相互正交的水平薄板(1)和竖直薄板(2)，立梁包括支座(3)和铅垂薄板(4)，支座固定在风洞中，铅垂薄板垂直于横梁的轴线，所述横梁穿过支座与铅垂薄板连接，水平薄板、竖直薄板、铅垂薄板均是弹性元件。

2.根据权利要求1所述的微量风洞天平，其特征在于：所述立梁与所述横梁通过轴承连接，横梁在立梁的轴孔内滑动。

3.根据权利要求1或2所述的微量风洞天平，其特征在于：所述铅垂薄板具有从底部到中部的凹槽。

4.根据权利要求3所述的微量风洞天平，其特征在于：所述水平薄板、竖直薄板、铅垂薄板的厚度均为b，所述水平薄板、竖直薄板的宽度均为a，所述铅垂薄板的凹槽的宽度为a-a_D，其中a、b、a_D>0。

5.一种采用根据权利要求1所述的微量风洞天平的测试方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)在铅垂薄板的第一测点(P_D)上放置应变片来测量铅垂薄板的弯曲应变根据公式(1)得到气动阻力F_z

$F_z={\mathrm{\ϵ}}_{22}^D\frac{2{\mathrm{EI}}_{\mathrm{xx}}^D}{l_{D}b}---\left(1\right)$

其中E为梁材料弹性模量，I^D _xx为第一测点(P_D)截面对相应弯曲轴的惯性矩，I^D _xx＝a_Db³/12，a_D为第一测点的宽度、b为第一测点的厚度，l_D为第一测点中心与横梁、立梁接触点的距离；

(2)在横梁的第ij个测点(P_ij)上分别放置应变片来测量水平薄板、竖直薄板的弯曲应变和i＝1,2；j＝1,2，根据公式(2)得到气动升力F_y、偏航力F_x、俯仰力矩M_x和偏航力矩M_y

$\left(\begin{array}{c}{M}_x\\ F_y\\ M_y\\ F_x\end{array}\right)=T^{-1}\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_{33}^{11}\\ {\mathrm{\ϵ}}_{33}^{12}\\ {\mathrm{\ϵ}}_{33}^{21}\\ {\mathrm{\ϵ}}_{33}^{22}\end{array}\right)---\left(2\right)$

其中

$T=\left[\begin{array}{cccc}{T}_{11}=-\frac{b}{2{\mathrm{EI}}_{\mathrm{xx}}^h}& T_{12}=-\frac{{\mathrm{bl}}_{11}}{2{\mathrm{EI}}_{\mathrm{xx}}^h}& T_{13}=-\frac{a-w}{2{\mathrm{EI}}_{\mathrm{yy}}^h}& T_{14}=\frac{(a-w)l_{11}}{2{\mathrm{EI}}_{\mathrm{yy}}^h}\\ T_{21}=-\frac{b}{2{\mathrm{EI}}_{\mathrm{xx}}^h}& T_{22}=-\frac{{\mathrm{bl}}_{12}}{2{\mathrm{EI}}_{\mathrm{xx}}^h}& T_{23}=-\frac{a-w}{2{\mathrm{EI}}_{\mathrm{yy}}^h}& T_{24}=\frac{(a-w)l_{12}}{2{\mathrm{EI}}_{\mathrm{yy}}^h}\\ T_{31}=-\frac{a-w}{2{\mathrm{EI}}_{\mathrm{xx}}^v}& T_{32}=-\frac{(a-w)l_{21}}{2{\mathrm{EI}}_{\mathrm{xx}}^v}& T_{33}=-\frac{b}{2{\mathrm{EI}}_{\mathrm{yy}}^v}& T_{34}=\frac{{\mathrm{bl}}_{21}}{2{\mathrm{EI}}_{\mathrm{yy}}^v}\\ T_{41}=-\frac{a-w}{2{\mathrm{EI}}_{\mathrm{xx}}^v}& T_{42}=-\frac{(a-w)l_{22}}{2{\mathrm{EI}}_{\mathrm{xx}}^v}& T_{43}=-\frac{b}{2{\mathrm{EI}}_{\mathrm{yy}}^v}& T_{44}=\frac{{\mathrm{bl}}_{22}}{2{\mathrm{EI}}_{\mathrm{yy}}^v}\end{array}\right]$

l_ij为第ij个测点与模型安装点的轴向距离，w/2为第ij个测点(P_ij)与水平薄板或垂直薄板的侧边缘的垂直距离，