CN105241630A - 应用于激波风洞测力试验的脉冲型杆式应变天平 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种应用于激波风洞测力试验的脉冲型杆式应变天平，包括带有模型端、测量架和支杆端的安装本体，该测量架和模型端通过矩形梁连接，在矩形梁上安装有法向力测量单元和俯仰力矩测量单元，在测量架的相对轴向两侧设置有轴向力测量单元。本发明的应变天平是在JF12激波风洞的长试验时间运行特性的基础上，应用成熟的应变计传感器技术，研制成的高精度、大刚度脉冲型应变天平。其轴向力测量单元结构的自振频率达到近2000Hz；轴向力与其他各个分量之间具有小的干扰影响，确保激波风洞测力试验天平信号有好的周期性，从而大大提升激波风洞测力结果的精准度(尤其是轴向力)，其在航天航空领域具有重要的工程应用价值。

Description

应用于激波风洞测力试验的脉冲型杆式应变天平

技术领域

本发明涉及一种风洞实验装置，特别是涉及一种应用于激波风洞测力试验的脉冲型高精度杆式应变天平。

背景技术

对于传统的高超声速激波风洞，由于其瞬态流场和极短的有效试验时间(一般500μs－20ms)，模型－天平－支撑系统(Model-Balance-SupportSystem，简称MBSS)的机械振动被激起，并且在试验时间内不能被阻尼特性衰减掉。因此，在有效试验时间内，为了得到较好的测力结果，测力支撑系统的低频振动信号应至少具有几个以上的周期。对于试验时间在几毫秒的典型激波风洞，可能最低频率在1000Hz以上才能确保试验结果具有较好的精度。因为高频率的信号可以采取直接平均处理，从而避免应用诸如惯性补偿等更加复杂的方法对信号进行人为干预。针对以上的技术难题，很多测力天平专家也提出了多类采用特种天平(如加速度计天平、应力波天平及其混合技术天平等)进行脉冲式风洞气动力测量的技术，并且以上特种天平技术所针对的风洞均为短试验时间的情况。也由于试验时间极短的原因，这些技术并不能在工程上进行成熟应用。

发明内容

本发明的目的是要提供一种应用于激波风洞测力试验中的高精度测量天平。

特别地，本发明提供一种应用于激波风洞测力试验的脉冲型杆式应变天平，包括：

安装本体，为一体结构，包括依次设置的用于安装模型的模型端，和安装测量单元的测量架，以及用于固定支撑天平和作为数据传送通道的支杆端，所述测量架和所述模型端通过与轴心线重合的矩形梁连接；

法向力测量单元，设置在所述矩形梁上，通过所述矩形梁受力后弯曲变形产生应变输出来获取法向力测量信息，包括法向力应变片；

俯仰力矩测量单元，设置在所述矩形梁上，通过所述矩形梁受力后弯曲变形产生应变输出来获取俯仰力矩测量信息，包括俯仰力矩应变片；

轴向力测量单元，对称地设置在所述测量架相对轴向的两侧，包括通过受力后弯曲变形材料产生应变来反应所述安装本体受轴向力情况的测力结构，包括轴向力应变片。

进一步地，所述测力结构包括与所述测量架的轴心线平行的横梁式轴向力元件，和分别垂直固定在所述横梁式轴向力元件两端的竖直梁，所述竖直梁通过与所述测量架的轴心线位于同一水平面上的第一传动板与所述测量架连接。

进一步地，所述横梁式轴向力元件与所述第一传动板不在同一水平面上。

进一步地，在所述测量架的相对两侧，通过切割形成两个径向贯穿所述测量架的通道，所述测力结构在切割所述通道时直接形成在所述通道内。

进一步地，相对的两个所述通道的两端通过穿过所述测量架内部，且垂直于所述测量架的轴心线的栅格通道连通。

进一步地，所述测量架与所述第一传动板通过第二竖直梁连接，所述第二竖直梁与所述第一竖直梁形状相同且并排地间隔设置，所述测量架通过第二连动板与所述第二竖直梁连接，所述第二传动板垂直于所述第一传动板，且位于所述第二竖直梁的中轴线上。

进一步地，所述横梁式轴向力元件的厚度与长度比为1：4。

进一步地，所述第一传动板的厚度与所述横梁式轴向力元件的厚度比为1：2。

进一步地，所述测力结构的位置与所述矩形梁未安装所述法向力测量单元和所述俯仰力矩测量单元的两侧面相对。

进一步地，所述矩形梁的径向截面的宽度大于高度，两者的比为1.5：1。

本发明的应变天平是在JF12激波风洞的长试验时间运行特性的基础上，应用成熟的应变计传感器技术，研制成的高精度、大刚度脉冲型应变天平。其轴向力测量单元结构的自振频率达到近2000Hz；轴向力与其他各个分量之间具有小的干扰影响，确保激波风洞测力试验天平信号有好的周期性，从而大大提升激波风洞测力结果的精准度(尤其是轴向力)，其在航天航空领域具有重要的工程应用价值。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的应变天平结构示意图；

图2是图1所示应变天平的示意性透视图；

图中：10-模型端、20-测量架、21-通道、22-栅格通道、23-栅格、30-支杆端、40-矩形梁、41-法向力应变片、42-俯仰力矩应变片、50-测力结构、51-横梁式轴向力元件、52-轴向力应变片、53-第一竖直梁、54-第一传动板、55-第二竖直梁、56-第二传动板、100-安装本体。

具体实施方式

如图1、2所示，本发明实施例的应用于激波风洞测力试验的脉冲型杆式应变天平，包括：一体结构的安装本体100，和安装在安装本体100上测量模型法向力的法向力测量单元，测量模型俯仰力矩的俯仰力矩测量单元，以及测量模型轴向力的轴向力测量单元。

该安装本体100一般包括依次排列的用于安装模型的模型端10，和安装测量单元的测量架20，以及用于固定安装本体100和作为数据传送通道的支杆端30，该测量架20和模型端10通过与轴心线重合的矩形梁40连接，矩形梁40的径向截面为矩形。法向力测量单元的法向力应变片41和俯仰力矩测量单元的俯仰力矩应变片42分别设置在矩形梁40的相对两个面上，通过矩形梁40受力后的变型来获取当前模型的测量信息。测量架20可以是一个圆柱形结构框架。

该轴向力测量单元设置在测量架20相对的轴向两侧，包括通过受力时的弯曲变形度来反映安装本体100受力情况的测力结构50。

实验时，将安装本体100通过支杆端10与激波风洞内的固定支架连接，利用模型端10与模型连接。法向力应变片41和俯仰力矩应变片42安装在矩形梁40的相对两侧面，每个测量单元的各个应变片通过惠斯通电桥连接，形成闭合电路；根据惠斯通电桥，每个分量都有4根电缆，分别为两根信号(正负)，两根供电(正负)。工作电压(每个桥路的供电电压)根据静态校准时的输入桥路电压为5V.工作环境温度范围为-50～+350℃。当模型受到激波风洞内风流冲击时，其受力传至矩形梁40，矩形梁40在受力后弯曲变形，相应各应变片输出应变电压信号，当力越大时，应变电压信号越大，法向力测量单元和俯仰力矩测量单元即将当前电压信号通过支杆端30的连线输出至接收设备。

其中，轴向力测量单元的轴向力应变片52附着在测力结构50上，将测力结构50在模型受力影响下弯曲变形时的应电压信号通过数据线由支杆端30传送到接收设备。

本实施例中的测力结构50为受到轴向力时可以产生相应变形的结构，变形后的结构在相应的力消失后可以恢复原状态。可以根据上述要求设置相应的变形结构。

本实施例能够在安装本体100刚度不变的情况下使得轴向力应变片52的应变输出增大，提高脉冲型杆式应变天平的测量精准度。基于激波风洞的环境，本实施例的测力结构自振频率可以达到2000Hz，且轴向力与其他各个分量之间具有较小的干扰影响。

进一步地，在本发明的一个实施例中，该测力结构50可以包括一个与安装本体100的测量架20的轴心线平行的横梁式轴向力元件51，横梁式轴向力元件51在受到沿轴向上传来的轴向力时，会发生弯曲，这种弯曲即可反映出当前模型的轴向力变化。为方便轴向力的传导，可以在横梁式轴向力元件51的两端分别垂直固定一块第一竖直梁53，第一竖直梁53通过与测量架20的轴心线位于同一水平面上的第一传动板54与测量架20连接。第一竖直梁53通过第一传动板54将测量架20受到的轴向力传导至横梁式轴向力元件51，通过第一传动板54可以使被传导的力更集中，进而反映到横梁式轴向力元件51后，其测量结果也更精确。

本实施例中的安装本体100材料可以采用00Ni18Co8Mo5Tia1(f141)，其抗拉强度极限1862MPa，弹性模量为187.25GPa，热膨胀系统10.710^-6/℃，热处理后洛氏硬度为46～52HRC。

在本实施例中，横梁式轴向力元件51是水平地与测量架20的轴心线平行，在其它的实施例中，也可以垂直地与测量架20的轴心线平行。或横梁式轴向力元件51以与测量架20的轴心线垂直的方式布置。在测量精度上，优选横梁式轴向力元件51水平平行的结构。

为增强轴向力传导后的放大效果，该横梁式轴向力元件51与第一传动板54可不位于同一水平面上。这样的结构使得第一传动板54传导的轴向力与横梁式轴向力元件51的受力点错开，更易使横梁式轴向力元件51变形，从而可反映更细微的轴向力。

进一步地，为方便轴向力的传导，该测量架20与第一传动板54可以通过第二竖直梁55连接，该第二竖直梁55与第一竖直梁53形状相同且并排地间隔设置，测量架20通过第二连接板56与第二竖直梁55连接，第二连接板56垂直于第一连接板54且位于第二竖直梁55的中轴线上。通过该方案，轴向力可以集中的传导至第一竖直梁53上，在放大轴向力的同时，减少其它力的干扰。

在本发明的一个实施例中，该测力结构50可以设置在测量架20的本体内，在测量架20的相对两侧，通过切割的方式形成两个径向贯穿测量架20的通道21，该测力结构50在切割通道21时直接形成在通道21内。具体加工时，可以由通道21的两端向中部进行切割，以形成测力结构50的横梁式轴向力元件51及其连接结构。切割后的横梁式轴向力元件51仅两端与测量架20连接，其两侧边与测量架20不接触。

两个通道21的两端由栅格通道22连通，该栅格通道22同样为测量架20贯穿切割后形成，栅格通道22中的各栅格23分别与测量架20的轴心线垂直。栅格23的数量以既保证测量架20的刚度，又可减少各种力之间的干扰为主。

具体的测力结构50的位置，可以与矩形梁40安装法向力应变片41和俯仰力矩应变片42一面的左右侧面相对。为方便安放各测量单元，该矩形梁40径向截面的宽度可以大于高度，其比值大约为1.5：1。

在本发明的一个实施例中，横梁式轴向力元件51的厚度与测量量程有关，如在本实施例中，在1000N轴向力的情况下，横梁式轴向力元件51的厚度可以是2.4mm，其厚度与其长度的比可以为1：4。而第一传动板54的厚度可以小于横梁式轴向力元件51的厚度，且两者的厚度比可以为1：2。安装在矩形梁40上、下表面上的法向力应变片41的安装数量为4片，俯仰力矩应变片42为8片，而安装在横梁式轴向力元件51上、下表面的轴向力应变片52为4片。

其中，脉冲型杆式应变天平的校准中心位于矩形梁40的中心位置，模型的压力中心应尽可能靠近该校准中心。

下表为本实施例的脉冲型杆式应变天平在三载荷单独作用下最大应力。

下表为本实施例脉冲型杆式应变天平在三载荷单独作用下的应变结果。

下表为本实施例的脉冲型杆式应变天平在静态校准时的均方误差指标。

在该表中，前两阶模型分别沿X和Y轴(计算坐标系)弯曲，第三阶振型为轴向振动，这意味着天平轴向力电压输出信号的主频率是较高的。因此，目前的脉冲型杆式应变天平符合设计预期，可以满足使用要求。

下表为本实施例的应变天平的静态校准精度指标。

根据上表可以看出，本实施例的脉冲型杆式应变天平具有非常好的重复性和较高的精准度。尤其是轴向力测量精度达到0.03％，这个指标已经远超过了国军标GJB2244A-2011中对精度要求的先进指标(0.1％)。

通过对本实施例脉冲型杆式应变天平的结构模态振型和频率计算分析，其模态频率达到1907Hz。表明其具有较高的刚度特性，脉冲型杆式应变天平输出电压信号将具有更好的周期性，从而保证测力结果具有相对更高的精准度。这一点在JF12激波风洞测力试验中也得到了验证。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (10)

1.应用于激波风洞测力试验的脉冲型杆式应变天平，包括：

安装本体，为一体结构，包括依次设置的用于安装模型的模型端，和安装测量单元的测量架，以及用于固定支撑天平和作为数据传送通道的支杆端，所述测量架和所述模型端通过与轴心线重合的矩形梁连接；

法向力测量单元，设置在所述矩形梁上，通过所述矩形梁受力后弯曲变形产生应变输出来获取法向力测量信息，包括法向力应变片；

俯仰力矩测量单元，设置在所述矩形梁上，通过所述矩形梁受力后弯曲变形产生应变输出来获取俯仰力矩测量信息，包括俯仰力矩应变片；

轴向力测量单元，对称地设置在所述测量架相对轴向的两侧，包括通过受力后弯曲变形材料产生应变来反应所述安装本体受轴向力情况的测力结构，包括轴向力应变片。

2.根据权利要求1所述的应变天平，其中，

所述测力结构包括与所述测量架的轴心线平行的横梁式轴向力元件，和分别垂直固定在所述横梁式轴向力元件两端的竖直梁，所述竖直梁通过与所述测量架的轴心线位于同一水平面上的第一传动板与所述测量架连接。

3.根据权利要求2所述的应变天平，其中，

所述横梁式轴向力元件与所述第一传动板不在同一水平面上。

4.根据权利要求2所述的应变天平，其中，

在所述测量架的相对两侧，通过切割形成两个径向贯穿所述测量架的通道，所述测力结构在切割所述通道时直接形成在所述通道内。

5.根据权利要求4所述的应变天平，其中，

相对的两个所述通道的两端通过穿过所述测量架内部，且垂直于所述测量架的轴心线的栅格通道连通。

6.根据权利要求2所述的应变天平，其中，

所述测量架与所述第一传动板通过第二竖直梁连接，所述第二竖直梁与所述第一竖直梁形状相同且并排地间隔设置，所述测量架通过第二连动板与所述第二竖直梁连接，所述第二传动板垂直于所述第一传动板，且位于所述第二竖直梁的中轴线上。

7.根据权利要求2所述的应变天平，其中，

所述横梁式轴向力元件的厚度与长度比为1：4。

8.根据权利要求1所述的应变天平，其中，

所述第一传动板的厚度与所述横梁式轴向力元件的厚度比为1：2。

9.根据权利要求1所述的应变天平，其中，

所述测力结构的位置与所述矩形梁未安装所述法向力测量单元和所述俯仰力矩测量单元的两侧面相对。

10.根据权利要求1所述的应变天平，其中，

所述矩形梁的径向截面的宽度大于高度，两者的比为1.5：1。