CN106644367B - 一种复合式大阻力风洞应变天平 - Google Patents

一种复合式大阻力风洞应变天平 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种复合式大阻力风洞应变天平，包括复合式回路天平和支杆，所述复合式回路天平包括自由端过渡段、2号支撑段、1号支撑段、固定端过渡段、支杆连接段；所述支杆包括锥形连接段和等直段；所述自由端过渡段通过位于左右两侧的四柱梁(即侧力、俯仰力矩和滚转力矩测量元件)与2号支撑段连接；所述固定端过渡段通过位于上下两侧的两柱梁(即升力和偏航力矩测量元件)与1号支撑段连接；1号支撑段与2号支撑段通过位于内侧的四柱梁(即阻力测量元件)连接；所述支杆连接段与支杆的锥形连接段连接。本发明缩短了天平长度，增大了天平直径，提高了天平承载能力，提高了试验的安全性，延长了天平使用寿命。

Description

一种复合式大阻力风洞应变天平
技术领域
本发明属于航空航天测力实验气动力测量技术领域，尤其是针对返回舱、着陆器等大升阻比气动模型的测力问题，本发明的一种复合式大阻力风洞应变天平，利用复合式回路结构紧凑布局测量元件，缩短天平长度，增大天平直径，提高天平阻力元的承载能力和天平的整体刚度，能够较好的对模型六个分量的气动力进行测量。
背景技术
在涉及到返回舱、着陆器等大升阻比模型的气动力测量问题时，由于模型具有直径大、长度短的特点，造成需要测量的阻力载荷大小往往是升力载荷的十倍左右，载荷匹配难度大，测量精度要求高。通过增大天平直径可以增大阻力承载能力，但一方面传统的三段串联杆式天平的直径一般与支杆等直段直径相等，并且需要与模型尾部内腔保持足够的间隙以保证模型受载后天平和支杆不会与模型产生空间干涉。受到模型尾部空间尺寸的限制和足够的间隙要求，天平及支杆的直径较小，无法提高阻力测量量程。另一方面此类模型的长度较短，无法将传统三段串联杆式天平的测量元件全部置于模型体内腔，对露出模型体的天平部分还需要进行额外的设计以保护天平。使用复合式回路结构可充分利用模型体内腔空间，有效缩短天平长度，增加天平直径，增大天平承载能力，是一种能够满足此类模型试验天平设计和测量要求的行之有效的方法。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点，本发明提出了一种复合式大阻力风洞应变天平，旨在解决传统三段串联杆式天平在返回舱、着陆器等模型气动力测量时天平安装难度大、阻力承载能力不足和天平设计未充分利用模型内腔空间的缺陷，提供一种复合式回路风洞应变天平及支杆，完成了对模型六个分量气动载荷的精确测量。本发明采用独特的复合式回路结构将天平六个分量的测量元件通过嵌套方式组合在一起，减小了天平的整体长度，并合理利用模型内腔空间大的特点，增大天平直径，增强天平承载能力，特别是增大阻力测量量程，提高了风洞试验安全性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种复合式大阻力风洞应变天平，包括复合式回路天平和支杆，所述复合式回路天平包括自由端过渡段、2号支撑段、1号支撑段、固定端过渡段、支杆连接段；所述支杆包括锥形连接段和等直段；所述自由端过渡段通过位于左右两侧的四柱梁(即侧力、俯仰力矩和滚转力矩测量元件)与2号支撑段连接；所述固定端过渡段通过位于上下两侧的两柱梁(即升力和偏航力矩测量元件)与1号支撑段连接；1号支撑段与2号支撑段通过位于内侧的四柱梁(即阻力测量元件)连接；所述支杆连接段与支杆的锥形连接段连接。
与现有技术相比，本发明的积极效果是：一是发展了独特的天平设计思想，突破了传统三段式串联杆式天平结构的局限。二是增大了天平直径，提高了天平承载能力，特别是增大了阻力测量量程。三是缩短了天平长度，在模型轴向尺寸有限的情况下仍然将天平元件整体置于模型体内部，提高了试验的安全性，延长了天平使用寿命。四是扩大了天平设计空间，有利于天平元件结构和布局优化设计。五是可广泛应用于升阻比较大或者冲击载荷较大的风洞试验天平研制中，具有良好的实用性和推广价值。
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是本发明的一种复合式大阻力风洞应变天平装配示意图；
图2是本发明的一种复合式大阻力风洞应变天平结构示意图；
图3是图2的俯视图；
图4是图2的A-A剖视图；
图5是图2的B-B剖视图；
图6是图2的C-C剖视图；
图中：1.模型，11.模型内腔，12.模型尾段内腔，2.复合式大阻力应变天平，21.法兰连接端，22.自由端过渡段，23.侧力、俯仰力矩和滚转力矩测量元件，24.2号支撑段，25.阻力测量元件，26.1号支撑段，27.升力和偏航力矩测量元件，28.固定端过渡段，29.支杆连接等直段，3.支杆，31.锥形连接面，32.等直段。
具体实施方式
图1是本发明一种复合式大阻力风洞应变天平装配示意图。本发明所述一种复合式大阻力风洞应变天平主要包括复合式回路天平2和支杆3，所述的复合式回路天平2与模型1通过法兰连接，方柱定位，所述复合式大阻力风洞应变天平与支杆通过锥面配合、楔子拉紧。所述的复合式大阻力风洞应变天平支杆的最大直径小于模型腔内部最小直径。
图2是本发明复合式大阻力风洞应变天平结构示意图。图3是图2的俯视图，所述复合式大阻力风洞应变天平元件置于模型内腔11中，可同时测量六个分量。所述的靠近模型头部的法兰连接端21直径和复合式回路天平元件直径大于模型尾段内腔12的直径。
图4是图2的A-A剖视图，所述的复合式大阻力风洞应变天平采用左右两侧的四柱梁连接自由端过渡段22和2号支撑段24，用于测量侧力、俯仰力矩和滚转力矩。测量梁尺寸通过数值仿真优化。
图5是图2的B-B剖视图,所述的复合式大阻力风洞应变天平采用内侧四柱梁连接1号支撑段26和2号支撑段24,用于测量阻力。测量梁尺寸通过数值仿真优化。
图6是图2的C-C剖视图，所述的复合式大阻力风洞应变天平采用上下两侧两柱梁连接1号支撑段26和固定端过渡段28，用于测量升力和偏航力矩；测量梁尺寸通过数值仿真优化。
下面参照图1-6进一步说明本发明所述的复合式大阻力风洞应变天平：
根据模型尾部内腔12的最小直径以及气动载荷可以估算出支杆3等直段32的最大直径，确保有足够的间隙使尾部内腔与支杆等直段在试验过程中不会触碰。同时可估算出模型内腔其他合适的尺寸，确保复合式回路天平与模型内腔有足够的空隙不会因受载而碰触。
如图2所示，结合图3、图4、图5和图6，是本发明复合式大阻力风洞应变天平的典型结构，根据天平设计载荷及其他技术指标，初步确定复合式大阻力风洞应变天平元件的长度、各测量梁的几何尺寸以及1号支撑段和2号支撑段的几何尺寸等关键尺寸的范围，特别注意预留足够的空间方便加工和应变计粘贴。
如图2所示，结合图3、图4、图5和图6，自由端过渡段22、固定端过渡段28、1号支撑段26、2号支撑段24的最高截面尺寸均与与之连接的测量元件的应变计粘贴表面平齐，一方面便于应变计粘贴，另一方面减小截面尺寸变化引起的应力集中。
各测量元件的连接处均作倒圆处理，防止应力集中。
在侧力、俯仰力矩和滚转力矩测量元件以及升力和偏航力矩测量元件应变计粘贴面的对应位置上布有应力槽，适当调节应力槽的大小，可以保证各测量单元的灵敏度。
根据载荷特点与具体设计指标，所述的各测量梁可以被替换为其他结构形式的弹性元件。
复合式大阻力风洞应变天平结构复杂，传统的计算方法难以得到比较准确的应变、应力结果，需要使用有限元软件进行多次数值仿真优化天平结构，并进行严格的天平及支杆强度校核，可通过正交优化设计方法减少数值仿真工作量，提高优化效率。
风洞试验过程中，作用在返回舱、着陆器等大升阻比模型上的空气动力载荷通过复合式回路天平的法兰盘使本发明复合式大阻力风洞应变天平的测量元件产生相应的变形，在各测量梁相关位置表面粘贴应变计，组成惠斯通电桥，经计算机处理后可实现对作用在模型上的空气动力载荷六个分量的精确测量。
本发明的工作原理是：利用模型、天平、支杆系统的变形特点，采用复合式回路结构充分利用模型内腔充足的空间，达到缩短天平长度、增大天平直径、增强天平承载能力的目的。具体来讲，模型受到气动载荷后，天平和支杆发生变形，并且最有可能与模型尾部内腔发生空间干涉，而模型内腔内部空间比较充足，可以更为有效的利用。采用复合式回路天平结构可通过组合元件同时测量六个分量的载荷，大大缩短天平长度，使天平整体位于模型腔内，从而摆脱模型尾部尺寸有限的限制，增大天平直径，增大天平承载能力，特别是增大天平阻力的测量量程。

Claims (6)

1.一种复合式大阻力风洞应变天平，其特征在于：包括复合式回路天平和支杆，所述复合式回路天平包括自由端过渡段、2号支撑段、1号支撑段、固定端过渡段、支杆连接段；所述支杆包括锥形连接段和等直段；所述自由端过渡段通过位于左右两侧的侧力、俯仰力矩和滚转力矩测量元件与2号支撑段连接；所述固定端过渡段通过位于上下两侧的升力和偏航力矩测量元件与1号支撑段连接；1号支撑段与2号支撑段通过位于内侧的即阻力测量元件连接；所述支杆连接段与支杆的锥形连接段连接；所述自由端过渡段通过法兰连接端与被测模型连接并通过方柱定位；所述复合式回路天平的法兰连接端、自由端过渡段、1号、2号支撑段和固定端过渡段置于被测模型内腔中；所述复合式回路天平的支杆连接段置于被测模型尾段内腔中；所述复合式回路天平的法兰连接端、自由端过渡段、1号、2号支撑段和固定端过渡段的直径圴大于被测模型尾段内腔的直径；所述支杆的最大直径小于被测模型尾段内腔的最小直径；所述支杆连接段与支杆的锥形连接段通过锥面配合并利用楔子拉紧。
2.根据权利要求1所述的一种复合式大阻力风洞应变天平，其特征在于：在所述侧力、俯仰力矩和滚转力矩测量元件及升力和偏航力矩测量元件上布有应力槽。
3.根据权利要求1所述的一种复合式大阻力风洞应变天平，其特征在于：所述自由端过渡段的左右端面、固定端过渡段的上下端面、1号、2号支撑段的相应端面均与与之连接的测量元件的应变计粘贴表面平齐。
4.根据权利要求1所述的一种复合式大阻力风洞应变天平，其特征在于：所述复合式回路天平为全钢件，整体一体化结构。
5.根据权利要求1所述的一种复合式大阻力风洞应变天平，其特征在于：各测量元件连接处均作倒圆处理。
6.根据权利要求1所述的一种复合式大阻力风洞应变天平，其特征在于：各测量元件的测量梁为弹性元件。
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