CN106940243A - 一种用于风洞实验的六分量测量天平及模型 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于风洞实验的六分量测量天平及模型，它解决了风洞试验的天平有效测量六分量问题，在风洞试验的过程中安装更加牢固与稳定，提高整体设备的刚度，并且使测量数据尽可能地准确，并且可以快速便捷地得到六个分量的测量数据，测量的数据通过已有的计算程序进行演算，所得测量结果精度高，误差小，并且能够满足风洞模型试验中对被测模型做高频率、大振幅运动的实验要求。其技术方案为：包括基座，所述基座第一面上固定X向测力分支，基座第二面上固定Y向测力分支，基座第三面上固定Z向测力分支；所述X向测力分支、Y向测力分支和Z向测力分支的外侧面均固定多个应变块，所述应变块设定位置处固定有电容传感器。

Description

一种用于风洞实验的六分量测量天平及模型

技术领域

本发明涉及飞机等航空装备地面实验技术领域，特别是涉及一种用于风洞实验的六分量测量天平及模型。

背景技术

航空工业的水平，体现了国防科技的综合实力，也从侧面反映了一个国家制造业的整体水平。为了提高航空装备的安全性，必须对飞机等航空装备进行地面试验，如风洞试验。风洞天平作为直接测量风洞实验中气动载荷的装置，对航空航天飞行器研制过程中了解飞行器性能具有重大意义。在风洞试验中应用测试天平采集飞机处于俯仰、偏航、滚转、升沉、横向平移和纵向平移状态时的相关运动数据，数据的采集力求精准与全面，以此提前发现问题，更好的完善飞机的性能以及稳定性。

现有的测试天平装置存在明显的不足和局限性，依然有待于改进。

现有公开的文献《风洞天平》中指出：当前的应变天平均是以电阻应变计为敏感元件。即将阻值相近、温度系数效应相近的电阻应变计粘贴在被测试件的表面，起到测量作用，电阻应变计将被测试件的应变量转换为电阻变化量，以便在应用中根据输出电信号求得作用在被测模型上的气动载荷。但是，电阻应变计的灵敏度限制了测量的精准度，因此需要提高测量过程中传感器的灵敏度。

现有的测试天平装置，不能直接测量出六分量。传统片式舵面铰链力矩天平通常设计为三分量，即铰链力矩以及法向力和法向力绕飞行器轴线的滚转力矩，不带轴向力。如中国专利文献公开了一种带有轴向力测量的四分量风洞铰链力矩实验天平，解决片式舵面铰链力矩天平实验舵面法向力和压心位置测量准确度不高问题，将测得的实验数据经过复合计算得出舵面总的气动力载荷，但是，此装置仅可以准确求得舵面法向力和压心位置等相关的四个分量。如日本专利文献公开了一种风洞中模型振动特性试验的模型支撑机构，试验模型垂直于气流水平放置在风洞中部，模型两个翼尖连接在模型支撑机构的两个轴上，模型支撑机构的两个轴从风洞两侧壁孔中伸出洞外，其中一个轴用轴承支撑可自由转动和上下移动，另一个轴支撑在前后两个执行器上，执行器组合运动可实现模型的扭转振动和上下平移振动，但是该支撑机构不能实现模型攻角和侧滑角的变化，且不能直接测量作用在模型上的六个气动力分量。如中国专利申请公开了一种微量风洞天平，包括横梁、立梁，横梁的一端与要被测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，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，通过应变片获得各个测点处应变，再通过此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数值，缺少滚转力矩的测量，从而滚转力矩无法获得，因此，此发明仍然不够完善。如中国专利文献公开了一种五分量压电式“双天平”，采用双天平结构，大大缩小了单天平四压电式三向力传感器矩形布置结构中各压电式三向力传感器之间的距离，避免了单天平引起的天平上盖结构刚性不足问题，对大尺度模型的有效支撑点位由四个增加到八个，支撑刚性增加，同时也提高了测试系统的固有频率，能够实现五分量测量，缺少滚转力矩的测量，而滚转力矩无法获得，因此，此发明仍然不够完善。

现有的测试天平装置，结构复杂，不易组装调试。如中国专利申请公开了一种应用于低速风洞的高升阻比天平，其包括试验模型连接锥、组合测力元件、天平基体、阻力测量元件、支撑片和支杆连接锥等结构，可以测出飞机的六分量，测量精度高、抗干扰能力强、抗扭转刚度好。如中国专利文献公开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，轴向力之间干扰小，为高精度、大刚度脉冲型应变天平；但是，这些发明结构复杂,体积庞大，操作繁琐，难安装，难调节，不易校准，造价高，无法很好的适应风洞试验的要求。

综上所述，现有技术中对于风洞试验的天平有效测量六分量问题，尚缺乏有效的解决方案。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种用于风洞实验的六分量测量天平，在风洞试验的过程中安装更加牢固与稳定，提高整体设备的刚度，并且使测量数据尽可能地准确，并且可以快速便捷地得到水平和竖直面内的x、y、z三个方向的受力，以及滚转力矩，俯仰力矩和偏航力矩，进而解决了六分量无法精确测量以及整体操作繁琐，调节不易的难题；

进一步的，本发明采用下述技术方案：

一种用于风洞实验的六分量测量天平，包括基座，所述基座第一面上固定X向测力分支，基座第二面上固定Y向测力分支，基座第三面上固定Z向测力分支；

所述X向测力分支、Y向测力分支和Z向测力分支的外侧面均固定多个应变块，所述应变块设定位置处固定有电容传感器。

进一步的，所述X向测力分支外侧面上固定第一应变块、第二应变块、第三应变块和第四应变块，第一应变块、第三应变块的连线和第二应变块、第四应变块的连线交于X向测力分支中心。

进一步的，所述第一应变块、第三应变块的连线与Y向测力分支平行，所述第二应变块、第四应变块的连线与Z向测力分支平行。

进一步的，所述第一应变块、第二应变块、第三应变块和第四应变块的侧部均固定有菱形电容传感器。

进一步的，所述Y向测力分支外侧面上固定第五应变块、第六应变块、第七应变块和第八应变块，第五应变块、第七应变块的连线和第六应变块、第八应变块的连线交于Y向测力分支中心。

进一步的，所述第五应变块、第七应变块的连线与X向测力分支平行，所述第六应变块、第八应变块的连线与Z向测力分支平行。

进一步的，所述第五应变块、第六应变块、第七应变块和第八应变块的顶部均固定有圆形电容传感器，所述第五应变块和第七应变块的侧部均固定有菱形电容传感器。

进一步的，所述Z向测力分支外侧面上固定第九应变块、第十应变块、第十一应变块和第十二应变块，第九应变块、第十一应变块的连线和第十应变块、第十二应变块的连线交于Z向测力分支中心。

进一步的，所述第九应变块、第十一应变块的连线与X向测力分支平行，所述第十应变块、第十二应变块的连线与Y向测力分支平行。

进一步的，所述第九应变块、第十应变块、第十一应变块和第十二应变块的侧部均固定有菱形电容传感器。

进一步的，所述X向测力分支、Y向测力分支和Z向测力分支均为中空结构。

进一步的，所述基座为中空结构。

一种用于风洞实验的模型，包括模型本体，所述模型本体内置有如上所述的测量天平。

进一步的，所述模型本体带有尾支杆，所述尾支杆与所述基座固定连接。

进一步的，所述尾支杆与Y向测力分支相对设置。

进一步的，所述X向测力分支、Y向测力分支和Z向测力分支的中心线交汇点与模型本体的重心重合。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明的测量天平设计新颖，结构简单，安装方便，三个测力分支呈笛卡尔坐标形态，加强了测力装置与被测模型的连接刚度，力分支所在坐标轴的原点即为被测模型的重心，因此测量的力矩数据准确，精度高；

2.尾支杆与基座通过铰制孔螺栓连接，定位精度高。基座为空心立方体，可承受较大的弯曲应力与剪切应力；

3.电容传感器价格便宜，结构简单，灵敏度高、准确性好，恶劣环境下也可适用；电容传感器具有平均效应，动态响应性好，过载能力强等优点，能满足被测模型的俯仰、偏航、滚转、升沉，横向平移和纵向平移相关运动数据(6分量)的要求。

4.能够满足风洞模型试验中对被测模型做高频率、大振幅运动的实验要求；

5.测量的数据通过已有的计算程序进行演算，所得测量结果精度高，误差小。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明的三维模型示意图；

图2为本发明的Y向测力分支爆炸示意图；

图3为本发明的Y向测力分支纵向剖面示意图；

图4为本发明的Y向测力分支横向剖面示意图；

图5为本发明的X向测力分支爆炸示意图；

图6为本发明的X向测力分支横向剖面示意图；

图7为本发明的Z向测力分支爆炸示意图；

图8为本发明的Z向测力分支横向剖面示意图；

图中，1-尾支杆，2-Z向测力分支，3-应变块I，4-应变块II，5-铰制孔螺栓，6-基座，7-Y向测力分支，8-应变块III，9-应变块IV，10-应变块V，11-X向测力分支，12-应变块VI。

其中，y1，y2，y3，y4，y5，y6，x1，x2，x3，x4，z1，z2，z3，z4-均为电容传感器。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在风洞试验的天平无法有效测量六分量问题，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种用于风洞实验的六分量测量天平及模型。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，提供了一种风洞实验的六分量测量天平，包括基座6和三个测力分支，所述的基座6的前、右、上方位分别连接有X向测力分支11、Y向测力分支7、Z向测力分支2。每一测力分支上均固定有四个应变块，所述的应变块上面均在特定位置上贴有电容传感器，通过电容传感器，能满足被测模型的俯仰、偏航、滚转、升沉，横向平移和纵向平移相关运动数据(6分量)的要求。每一测力分支最顶端开有键槽，将测力分支与待测试模型安装连接时，在键槽中放入尺寸合适的键，可以起到定位的作用，并且限制了测力分支与待测模型的相对旋转，因此三个测力分支与底座6一同与被测模型固定，增大测力系统的刚度强度的同时还利用了电容传感器的位移所测得的数据得到六个分量值。

所述的基座6为空心立方体，基座6的左侧与尾支杆1连接，尾支杆与基座的连接牢固，基座为立方体，可承受较大的弯曲应力和剪切应力；基座1的上、前、右侧分别通过法兰盘以及8个铰制孔螺栓5与三个测力分支连接，测力分支承笛卡尔坐标系状态，保证测量装置与被测模型的连接稳固牢靠，避免了局部受力集中。三个测力分支呈笛卡尔坐标形态，加强了设备的结构刚性，测力分支所在坐标轴的原点即为被测模型的重心，因此测量的力矩数据准确，精度高。

进一步，所述的测力分支包括X向测力分支11、Y向测力分支7和Z向测力分支2，且均为空心结构，三个测力分支外侧面上分别通过螺栓连接有四个应变块，即X向测力分支11外侧面上固定第一应变块、第二应变块、第三应变块和第四应变块，其中第一应变块、第三应变块的连线和第二应变块、第四应变块的连线相互垂直且相交于X向测力分支11中心，第一应变块、第三应变块的连线与Y向测力分支7平行，第二应变块、第四应变块的连线与Z向测力分支2平行，即X向测力分支11在三个测力分支形成的笛卡尔坐标系的Y向和Z向的四个侧面上均设置应变块，即图中的应变块V 10和应变块VI 12；

Y向测力分支7外侧面上固定第五应变块、第六应变块、第七应变块和第八应变块，其中第五应变块、第七应变块的连线和第六应变块、第八应变块的连线相互垂直且相交于Y向测力分支7中心，第五应变块、第七应变块的连线与X向测力分支11平行，所述第六应变块、第八应变块的连线与Z向测力分支2平行，即Y向测力分支7在三个测力分支形成的笛卡尔坐标系的X向和Z向的四个侧面上均设置应变块，即图中的应变块III 8和应变块IV 9；

Z向测力分支2外侧面上固定第九应变块、第十应变块、第十一应变块和第十二应变块，其中第九应变块、第十一应变块的连线和第十应变块、第十二应变块的连线相互垂直且相交于Z向测力分支2中心，第九应变块、第十一应变块的连线与X向测力分支11平行，第十应变块、第十二应变块的连线与Y向测力分支7平行，即Z向测力分支2在三个测力分支形成的笛卡尔坐标系的X向和Y向的四个侧面上均设置应变块，即图中的应变块I 3和应变块II 4。

每一测力分支的每个应变块上均在不同位置粘贴有电容传感器，Y向测力分支7可以通过电容传感器的位移数据得到x，y，z向的受力大小，以及滚转力矩；X向测力分支11可以通过电容传感器的位移数据得到俯仰力矩；Z向测力分支2可以通过电容传感器的位移数据得到偏航力矩；如图2-4所示，将Y向测力分支7竖向放置，Y向测力分支7四个侧面的应变块的顶部(即对应于Y向方向)均固定有圆形电容传感器，用来测力的数据，Y向测力分支7对应于X向的应变块的侧部(对应于Z向方向)均固定有菱形电容传感器，用来测力矩的数据；如图5-6所示，将X向测力分支11竖向放置，X向测力分支11四个侧面的应变块的侧部均固定有菱形电容传感器；如图7-8所示，将Z向测力分支2竖向放置，Z向测力分支2四个侧面的应变块的侧部均固定有菱形电容传感器。

应变块是电容传感器的承载体，应变块的形状略有差异，但是均是在贴上电容传感器的情况下，以过盈装配的形式装配到测力分支，记录下电容传感器的初始数据，利用电容传感器的变化值计算六分量，使六分量的计算更加精确。

电容传感器配合应变块使用，通过电容传感器的变形，获得测量数据，电容传感器的张贴位置不同，形状也不同，电容传感器有圆形和菱形的，圆形电容传感器是用来测力的数据，菱形电容传感器是用来测力矩的数据，所测得的数据可以算出不同的六个分量。

本申请的另一种典型的实施方式中，提供了一种用于风洞实验的模型，包括模型本体，模型本体内置有如上所述的测量天平。模型本体带有尾支杆1，尾支杆1与基座6固定连接。尾支杆1与Y向测力分支7相对设置。X向测力分支、Y向测力分支和Z向测力分支的中心线交汇点与模型本体的重心重合，三个分支所在坐标轴的原点即为被测模型的重心。

尾支杆1直接连接在基座6上，尾支杆1为空心圆柱杆，大幅度减轻了其自身的质量，并且最大程度的保证了尾支杆1的刚度强度和剪切强度，尾支杆1法兰盘与基座6通过八根铰制孔螺栓5连接，保证精准定位，使得法兰盘间不存在小幅度的位错，从而承受更大的载荷。

本发明的测量天平能够满足风洞模型试验中对被测模型做高频率、大振幅运动的实验要求；电容传感器价格便宜，结构简单，灵敏度高、准确性好，恶劣环境下也可适用；电容传感器具有平均效应，动态响应性好，过载能力强等优点；测量的数据通过已有的计算程序进行演算，所得测量结果精度高，误差小。

根据测量的数据，本发明的测量天平可以用以下公式得到六分量，电容传感器得出的数据通过转换可以得出位移数据：

利用y向分支中y2，y4电容传感器的位移Δd_y2与Δd_y4可以计算出x向受力，如公式1：

利用y向分支中y1，y3电容传感器的位移Δd_y1与Δd_y3可以计算出y向受力，如公式2：

利用y向分支中y1，y2，y3，y4电容传感器的位移Δd_y1，Δd_y2，Δd_y3与Δd_y4可以计算出z向受力，如公式3：

利用y向分支中y5，y6电容传感器的位移Δd_y5与Δd_y6可以计算出滚转力矩，如公式4：

利用x向分支中x1，x2，x3，x4电容传感器的位移Δd_x1，Δd_x2，Δd_x3与Δd_x4可以计算出俯仰力矩，如公式5：

利用Z向分支中z1，z2，z3，z4电容传感器的位移Δd_z1，Δd_z2，Δd_z3与Δd_z4可以计算出偏航力矩，如公式6：

上述公式中的K₁，K₂，K₃，K₄，K₅，K₆代表的是与结构灵敏度相关的系数。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于风洞实验的六分量测量天平，其特征是，包括基座，所述基座第一面上固定X向测力分支，基座第二面上固定Y向测力分支，基座第三面上固定Z向测力分支；

所述X向测力分支、Y向测力分支和Z向测力分支的外侧面均固定多个应变片，所述应变片设定位置处固定有电容传感器。

2.如权利要求1所述的测量天平，其特征是，所述X向测力分支外侧面上固定第一应变片、第二应变片、第三应变片和第四应变片，第一应变片、第三应变片的连线和第二应变片、第四应变片的连线交于X向测力分支中心。

3.如权利要求2所述的测量天平，其特征是，所述第一应变片、第三应变片的连线与Y向测力分支平行，所述第二应变片、第四应变片的连线与Z向测力分支平行；所述第一应变片、第二应变片、第三应变片和第四应变片的侧部均固定有菱形电容传感器。

4.如权利要求1所述的测量天平，其特征是，所述Y向测力分支外侧面上固定第五应变片、第六应变片、第七应变片和第八应变片，第五应变片、第七应变片的连线和第六应变片、第八应变片的连线交于Y向测力分支中心。

5.如权利要求4所述的测量天平，其特征是，所述第五应变片、第七应变片的连线与X向测力分支平行，所述第六应变片、第八应变片的连线与Z向测力分支平行；所述第五应变片、第六应变片、第七应变片和第八应变片的顶部均固定有圆形电容传感器，所述第五应变片和第七应变片的侧部均固定有菱形电容传感器。

6.如权利要求1所述的测量天平，其特征是，所述Z向测力分支外侧面上固定第九应变片、第十应变片、第十一应变片和第十二应变片，第九应变片、第十一应变片的连线和第十应变片、第十二应变片的连线交于Z向测力分支中心。

7.如权利要求6所述的测量天平，其特征是，所述第九应变片、第十一应变片的连线与X向测力分支平行，所述第十应变片、第十二应变片的连线与Y向测力分支平行；所述第九应变片、第十应变片、第十一应变片和第十二应变片的侧部均固定有菱形电容传感器。

8.如权利要求1所述的测量天平，其特征是，所述X向测力分支、Y向测力分支和Z向测力分支均为中空结构；所述基座为中空结构。

9.一种用于风洞实验的模型，其特征是，包括模型本体，所述模型本体内置有如权利要求1-8任一项所述的测量天平。

10.如权利要求9所述的模型，其特征是，所述模型本体带有尾支杆，所述尾支杆与所述基座固定连接；所述尾支杆与Y向测力分支相对设置；所述X向测力分支、Y向测力分支和Z向测力分支的中心线交汇点与模型本体的重心重合。