CN106840597B - 一种用于风洞试验的轻量化模型结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于风洞试验的轻量化模型结构，包括模型壳体框架承力结构、天平支撑系统；模型壳体按设定比例模拟飞行器的外形；框架承力结构与模型壳体内表面形状匹配；天平连接锥右端面用于连接测力天平，保证轻量化模型结构的质心与天平力矩参考点的位置相同。天平支撑系统固定在框架承力结构内部，测量天平连接锥传递的力。本发明对大型复杂型面的试验模型外形采用由玻璃钢材料加工成型的试验模型外形和由硬铝合金加工组装的框架承力结构，减轻试验模型的重量，减少试验过程中的振动，降低加工周期和加工成本，进而高效和更精确地得到模型亚跨超声速风洞试验数据。

Description

一种用于风洞试验的轻量化模型结构
技术领域
本发明涉及一种用于风洞试验的轻量化模型结构，属于风洞试验领域。
背景技术
风洞模型试验是航空航天飞行器研制过程中了解飞行器性能、降低飞行器研制风险和成本的重要手段之一。风洞模型的设计制造直接影响模型的质量、加工周期和成本，影响风洞试验的数据质量、效率、周期和成本。众所周知，风洞试验首先要设计加工试验模型，传统的跨超声速风洞模型通常采用全金属材料，通过车、铣、刨、磨、钻或电加工等工艺制造，低速风洞模型一般采用非金属(如木材、树脂或复合材料等)或金属与非金属结合制造。风洞试验中，风洞模型通常被视为刚性模型，模型的振动或变形的影响一般被忽略。
然而，在风洞模型试验过程中，由于气流的脉动、风洞动力系统的振动、噪声、模型结构及其产生的气动力等因素的共同作用，可以很容易观察到模型在风洞吹风试验中存在的振动现象。模型振动影响风洞试验数据质量，严重时将使试验无法进行。随着航空航天技术的发展，大型复杂外形及工况的飞行器越来越多，对风洞试验数据的精准度也要求越来越高。
在满足模型试验所需刚强度要求的情况下，尽可能减小试验模型的质量，并降低实验过程中的振动，是本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于风洞试验的轻量化模型结构，解决大型复杂型面的风洞试验模型过重以及加工周期过长问题，并减小试验过程模型的振动。
本发明目的通过如下技术方案予以实现：
提供一种用于风洞试验的轻量化模型结构，包括模型壳体框架承力结构、天平支撑系统；
模型壳体按设定比例模拟飞行器的外形；
框架承力结构与模型壳体内表面形状匹配，包括上框架、左框架、右框架、下框架和天平连接锥，四个框架顺次连接，每个框架包括纵筋、横筋、斜筋；所述纵筋为两根，沿模型壳体内表面由头部前端延伸至尾端；两根纵筋之间沿纵筋方向垂直设置多组横筋；每两个横筋之间设置斜筋；天平连接锥设置纵筋内部，右端面用于连接测力天平，保证轻量化模型结构的质心与天平力矩参考点的位置相同。
天平支撑系统固定在框架承力结构内部，包括测力天平和尾支杆，所述测力天平的前端固定在天平连接锥上，所述测力天平后端与尾支杆固定相连，所述测力天平测量所述模型壳体所受的气动力或力矩，并将气动力或力矩传递给所述尾支杆。
优选的，模型壳体的材质为玻璃钢、硬铝或复合材料。
优选的，上框架、左框架、右框架和下框架，采用胶结或机械连接方式固定连接。
优选的，所述测力天平为五分量或六分量测力天平。
优选的，框架承力结构采用硬铝材质。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明对大型复杂型面的试验模型外形采用由玻璃钢材料加工成型的试验模型外形和由硬铝合金加工组装的框架承力结构，减轻试验模型的重量，减少试验过程中的振动，降低加工周期和加工成本，进而高效和更精确地得到模型亚跨超声速风洞试验数据。
(2)本发明采用硬铝合金材质的“口”字形框架承力结构，优化了模型气动受力传递路径，减轻了承力结构的重量，保证了承力刚强度要求。
(3)本发明通过对试验模型和承力结构保证刚强度情况下减重，减少了试验过程中的振动，实现了在亚跨超声速风洞中高效而精确地得到模型风洞试验数据。
附图说明
图1(a)为本发明风洞试验模型总装剖视后视图；图1(b)为本发明风洞试验模型总装剖视示意图；
图2为本发明风洞试验模型局部三维示意图；
图3为本发明框架承力结构的装配示意图；
图4为本发明框架承力结构的爆炸示意图。
具体实施方式
为了抑制模型的振动，可采取以下两方面的抑振措施：
1)在满足模型试验所需刚强度要求的情况下，尽可能减小试验模型的质量；
2)优化传力路径，提高支撑机构的刚强度，使得模型试验过程中尽量稳定。
下面根据附图1、附图2和附图3对本发明的具体实施方案进行进一步详细描述。一种用于风洞试验的模型结构轻量化设计，包括模型壳体1框架承力结构、天平支撑系统；模型壳体1按设定比例模拟飞行器的外形；
框架承力结构2与模型壳体内表面形状匹配，包括上框架、左框架、右框架、下框架和天平连接锥7，四个框架顺次连接，每个框架包括纵筋2-1、横筋2-2、斜筋2-3；所述纵筋2-1为两根，沿模型壳体1内表面由头部前端延伸至尾端；两根纵筋2-1之间沿纵筋方向垂直设置多组横筋2-2；每两个横筋2-2之间设置斜筋2-3；天平连接锥7设置纵筋2-1内部，右端面用于连接测力天平8，保证轻量化模型结构的质心与天平8力矩参考点的位置相同。纵筋贴近并固定于模型壳体内表面，将模型壳体所受的气动力或力矩通过纵筋并经由横筋和斜筋传递到天平连接锥，最终传递给天平测力。并采用框架式的结构形式，将飞行器试验模型外形1所受气动力传递给天平支撑系统，进而完成试验模型吹风试验数据的精确测量。
飞行器试验模型外形1，如附图1和附图2所示，三维主体尺寸大约为2.5m×0.5m×0.3m，主要由包括玻璃钢等刚强度高、质量轻的材料加工成型，重量小于30kg，压心与天平8力矩参考点的位置相同，质心与天平8力矩参考点的位置相同，或靠近天平连接锥7大端，满足对模型复杂型面成型和风洞试验国军标的要求，并与框架承力结构采用胶结或机械连接等方式固定连接。
框架承力结构，主要由包括硬铝合金LY12等比强度、比刚度高的材料加工成型，各框架部件能传递拉、弯、扭等力和力矩，并组装固定呈“口”字形结构，天平连接锥7内置于“口”字形结构内，并与各框架部件固定连接，满足风洞试验中试验模型外形1所受气动力传递的刚强度要求，见附图3和附图4。
天平支撑系统，包括天平8和尾支杆9，天平8包括五分量和六分量测力天平，前后分别与天平连接锥7和尾支杆9固定连接，均位于框架承力结构的“口”字型内腔中，尾杆9用于将整个轻量化模型结构固定在风洞内，见附图1。
模型壳体横截面左右两侧的纵筋关于模型壳体横截面中轴线对称分布，且四个纵筋紧贴模型壳体的内表面，当组成的长方形面积最大，即可使整个模型的重量最轻。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种用于风洞试验的轻量化模型结构，其特征在于：包括模型壳体(1)、框架承力结构、天平支撑系统；
模型壳体(1)按设定比例模拟飞行器的外形；
框架承力结构与模型壳体内表面形状匹配，包括上框架、左框架、右框架、下框架和天平连接锥(7)，四个框架顺次连接，每个框架包括纵筋(2-1)、横筋(2-2)、斜筋(2-3)；所述纵筋(2-1)为两根，沿模型壳体(1)内表面由头部前端延伸至尾端；两根纵筋(2-1)之间沿纵筋方向垂直设置多组横筋(2-2)；每两个横筋(2-2)之间设置斜筋(2-3)；天平连接锥(7)设置纵筋(2-1)内部，右端面用于连接测力天平(8)，保证轻量化模型结构的质心与测力天平(8)力矩参考点的位置相同；
天平支撑系统固定在框架承力结构内部，包括测力天平(8)和尾支杆(9)，所述测力天平(8)的前端固定在天平连接锥(7)上，所述测力天平(8)后端与尾支杆(9)固定相连，所述测力天平(8)测量所述模型壳体(1)所受的气动力或力矩，并将气动力或力矩传递给所述尾支杆(9)。
2.根据权利要求1所述用于风洞试验的轻量化模型结构，其特征在于，模型壳体(1)的材质为玻璃钢、硬铝或复合材料。
3.根据权利要求1所述用于风洞试验的轻量化模型结构，其特征在于，上框架、左框架、右框架和下框架，采用胶结或机械连接方式固定连接。
4.根据权利要求1所述用于风洞试验的轻量化模型结构，其特征在于，所述测力天平(8)为五分量或六分量测力天平。
5.根据权利要求1所述用于风洞试验的轻量化模型结构，其特征在于，框架承力结构采用硬铝材质。
6.根据权利要求1所述用于风洞试验的轻量化模型结构，其特征在于，四个框架的尾端形成矩形，四个框架的尺寸设计达到矩形的面积最大。
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