CN105115694B - 一种片式铰链力矩天平 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种片式铰链力矩天平，所述天平为全钢件整体片式一体化结构，包括：一个固定连接端，固定连接端同一水平面的两端分别设置有刚性过渡段；四组天平元件分布于固定连接端的刚性过渡段两侧；两个浮动连接端，每个浮动连接端的内侧设置有刚性过渡段，与天平元件连接。本发明所述的片式铰链力矩天平结构，可减小天平的附加力矩，提高载荷的匹配性，能实现带轴向力的气动力测量，同时可减小机翼变形对测量的干扰，使测量不确定度显著减小，获得高精度和准度的气动力测量结果。
Description
技术领域
本发明属于航空航天测力试验气动力测量技术领域，针对高超声速飞行器模型的铰链力矩风洞测力试验时，利用一种片式的单固支双浮动对称结构的铰链力矩天平完成对飞机机翼控制操纵面的铰链力矩测量，提高测量精准度。
背景技术
铰链力矩测量试验是基础性的风洞测力试验项目。随着我国航天航空技术的发展，特别是先进飞行器研制的开展，对铰链力矩试验数据质量要求愈来愈高。长期以来，受模型空间尺寸、气动载荷条件和天平结构形式等限制，用于飞机机翼控制操纵面铰链力矩测量的传统铰链力矩天平无轴向力测量功能、各测量分量载荷匹配性差；模型、天平及测量舵之间的安装位置矛盾突出；机翼弹性变形和支撑系统刚度对铰链力矩测量结果影响大，数据质量不高。因此，必须研制一种新型的铰链力矩天平来满足日益发展要求试验数据要求。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有传统片式铰链力矩天平测量的不足，提高测量的精准度，本发明提供了一种片式铰链力矩天平。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种片式铰链力矩天平，所述天平为全钢件整体片式一体化结构，包括：一个固定连接端，固定连接端同一水平面的两端分别设置有刚性过渡段；四组天平元件，分布于固定连接端的刚性过渡段两侧；两个浮动连接端，每个浮动连接端的内侧设置有刚性过渡段，与天平元件连接。
在上述技术方案中，铰链力矩天平布局为单固支双浮动对称结构，即两个浮动连接端和四组天平元件对称布置于固定连接端两侧。
在上述技术方案中，所述铰链力矩天平的各组天平元件由测量梁和调节梁组成。。
在上述技术方案中，调节梁设置在测量梁的外侧。
在上述技术方案中，铰链力矩天平的天平元件的测量梁和调节梁采用横置式布局。
在上述技术方案中，铰链力矩天平测量梁上粘贴应变感应器并组成电桥，采用组合电桥方式处理应变感应器输出信号。
在上述技术方案中，固定端的刚性过渡段底面为非接触面。
在上述技术方案中，固定连接端两侧与刚性过渡段连接处上下表面设置有消应槽。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
一是高速风洞铰链力矩试验中，天平测量元件感受的铰链力矩不仅与测量舵自身铰链力矩大小有关，而且绝大部分来自于测量舵的转轴到天平测量元件中心的距离，本发明所述的天平结构减小了测量、舵转轴到天平测量元件中心的距离，增加了天平设计载荷的匹配性。
二是本发明所述的天平结构增加了阻力元，能够消除由于模型结构限制使得天平的测量中心与舵面转轴沿法向方向上的不重合带来的测量误差，提高测量精准度。传统片式铰链力矩天平为三分量天平，仅具有测量控制舵的升力、铰链力矩和滚转力矩功能，受测量模型的限制，传统片式铰链力矩天平布局不能实现天平中心与控制舵转轴在同一水平面上，导致阻力对其他分量的干扰无法修正，影响测量精准度。
三是本发明所述的天平结构采取单固支双浮动形式，相当于采用左右两台天平共同测量测量舵所受气动力，测量灵敏度优于传统片式天平。
四是本发明所述的天平结构采取测量梁与调节梁形式，通过调整调节梁尺寸能够得到期望的测量梁应变大小。
五是本发明所述的天平为组合电桥方式，将每一组测量元件单独组成一个测量电桥，测量舵感受的升力、铰链力矩和滚转力矩的信号输出分别由各测量电桥信号输出的不同组合而成，此方式增加了天平各元的灵敏度，提高天平的测量精准度。
六是本发明所述的天平结构和安装方式，可以减少机翼的切削量，保证机翼的整体刚度。同时，由于天平元件与模型安定面的连接尺寸小于传统片式天平，所以很大程度上减小了机翼变形对测量的影响。
七是本发明所述的天平固定连接端两侧与刚性过渡段连接处上下表面设置有消应槽，能够减小连接应力对测量影响，提高测量精准度。
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是本发明的片式铰链力矩天平与模型安定面及测量舵的安装示意图；
图2是传统的片式铰链力矩天平与模型安定面及测量舵的连接示意图；
图3是本发明的一种片式铰链力矩天平主视图；
图4是图3的A-A剖视图；
其中：1是测量舵，2是铰链力矩天平，3是机翼， 4、11是测量连接面 5、10是施力连接端刚性过渡段，6、7、8、9是测量梁，12、13、16、17是调节梁，14、15是固定连接端刚性过渡段，18、19、20、21是消应槽。
具体实施方式
本发明的片式铰链力矩天平，为全钢件整体片式结构，铰链力矩天平由固定连接端、天平元件和浮动连接端三部分组成，两个浮动连接端通过螺钉及销钉与飞行器测量舵连接，天平元件由测量梁和调节梁组成，固定连接端通过螺钉及销钉与模型安定面连接。本发明的片式铰链力矩天平为单固支双浮动对称结构，即两个浮动连接端和四组天平元件对称布置于固定连接端两侧；该结构类似于采用左右两台天平共同测量测量舵所受气动力结构；所述的铰链力矩天平元件的测量梁和调节梁为横置式布局。所述的铰链力矩天平组桥方式为组合电桥方式，天平元件的测量梁上粘贴应变计组成电桥，作用在飞行器模型上的气动力通过设置在上述测量元件上的电阻应变计转换为电压信号，通过电桥的不同组合实现对作用在测量舵上升力、铰链力矩和滚转力矩及轴向力的测量。
在固定连接端和浮动连接端分别设置有5～10mm的过渡段和消应槽。
铰链力矩天平的轴向力X分量测量元件、法向力Y分量测量元件、俯仰力矩（铰链力矩）Mj分量测量元件及滚转力矩Mx分量测量元件中心为铰链力矩天平的力矩参考中心。
如图1、图2所示，从本发明的天平结构和传统片式铰链力矩天平结构可以看出：在天平测量元件的布局上，本发明所述的铰链力矩天平的天平元件测量梁和调节梁采用横置式布局，使得天平固定连接端与浮动连接端的布局与测量舵的转轴平行，缩短了天平中心到测量舵转轴的距离，减小了附加力矩，使得天平具有良好的载荷匹配性。如本发明所述的天平结构测量舵转轴到天平元件中心的最短距离为0.024m,该距离产生的附加力矩为12N.m，为测量舵相对于转轴的铰链力矩载荷的7倍左右。而传统片式铰链力矩天平的测量梁为纵轴式布局，天平固定连接端与浮动连接端位于测量梁的两侧，布局与测量舵的转轴垂直，该布局方式及元件结构使得传统片式铰链力矩天平的元件中心与测量舵转轴的距离较远，天平感受的附加力矩增大，造成天平的载荷匹配性差，存在小升力、大俯仰力矩的现象。如上所述的测量舵相对于转轴的铰链力矩载荷为1.7N.m，转轴到天平测量中心的最短距离为0.040m，该距离产生的附加力矩为20 N.m，为测量舵相对于转轴的铰链力矩载荷的11.8倍左右。
图3是本发明中天平的主视图，图4是图3的A-A剖视图，从图中可以看出作用在测量舵上的气动力通过两端的模型测量舵施力连接面经过施力连接端刚性过渡段与天平元件相连，采用沉头螺钉和柱销连接定位。天平元件由四柱测量梁及四柱调节梁构成，四柱测量梁及四柱调节梁经刚性过渡段及消应槽通过螺钉和柱销与模型安定面连接固定。这样就实现了飞行器模型测量舵、一种片式铰链力矩天平、模型安定面的可靠连接。
在顺序连接的各部件之间设置的刚性过渡段和消应槽，能够减小连接应力对测量的影响，提高测量质量；在测量元件上设置调节梁，通过对调节梁的尺寸优化，能够使各测量分量的灵敏度较好的满足测量要求，提高测量精准度。
风洞试验过程中，作用在飞行器测量舵上的空气动力载荷通过天平两端的施力连接端使本发明的铰链力矩天平的天平元件产生相应的变形，在四柱测量梁的上下表面分别粘贴应变计，组成惠斯通电桥，将这四个电压增量信号通过不同的组合后，经计算机处理后实现了对作用在飞行器测量舵舵上的空气动力载荷法向力Y分量、铰链力矩Mj分量、滚转力矩Mx分量的精确测量，在四柱测量梁的内侧垂直表面粘贴应变计，用于实现对在轴向力X分量的测量。
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。
Claims (8)
1.一种片式铰链力矩天平，所述天平为全钢件整体片式一体化结构，其特征在于包括：
一个固定连接端，固定连接端同一水平面的两端分别设置有刚性过渡段；四组天平元件分布于固定连接端的刚性过渡段两侧；两个浮动连接端，每个浮动连接端的内侧设置有刚性过渡段，与天平元件连接。
2.根据权利要求1所述的一种片式铰链力矩天平，其特征在于铰链力矩天平布局为单固支双浮动对称结构，即两个浮动连接端和四组天平元件对称布置于固定连接端两侧。
3.根据权利要求1所述的一种片式铰链力矩天平，其特征在于铰链力矩天平的各组天平元件由测量梁和调节梁组成。
4.根据权利要求3所述的一种片式铰链力矩天平，其特征在于调节梁设置在测量梁的外侧。
5.根据权利要求1所述的一种片式铰链力矩天平，其特征在于铰链力矩天平的天平元件的测量梁和调节梁采用横置式布局。
6.根据权利要求3所述的一种片式铰链力矩天平，其特征在于铰链力矩天平测量梁上粘贴应变感应器并组成电桥，采用组合电桥方式处理应变感应器输出信号。
7.根据权利要求1所述的一种片式铰链力矩天平，其特征在于固定端的刚性过渡段底面为非接触面。
8.根据权利要求1所述的一种片式铰链力矩天平，其特征在于固定连接端两侧与刚性过渡段连接处上下表面设置有消应槽。
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