CN108896269B - 一种高精度轴向力测量风洞应变天平 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高精度轴向力测量风洞应变天平，包括天平前锥、五分量测量元件、轴向力框体、轴向力测量元件、支撑片梁组、等直径过渡段和天平后锥。轴向力框体在天平设计中心开有上下贯通的通槽，轴向力测量元件设置于通槽内并穿过设计中心，轴向力框体还被一条经过设计中心的前后贯通斜槽分为上下两部分，并由支撑片梁组和轴向力测量元件共同将其连接为一个整体。本发明突破了传统六分量杆式天平轴向力测量元件的结构设计和布置方法，彻底解决了其他气动力分量对轴向力的干扰问题，提高了轴向力测量精度，改善了轴向单元应变片长期处于恶劣的应力/应变状态，提高了天平使用稳定性。

Description

一种高精度轴向力测量风洞应变天平

技术领域

本发明涉及一种高精度轴向力测量风洞应变天平，属于试验空气动力学测量技术领域。

背景技术

随着风洞试验技术的发展以及飞机、箭弹等武器的精细化设计程度越来越高，轴向力的精确测量对于风洞应变天平的研制提出了更高要求。而对于常规六分量杆式应变天平而言，轴向力测量元件的设计是其研制的难点和关键，主要原因一方面是受风洞模型内腔尺寸的限制，天平轴向力元件尺寸(直径尺寸)较小，需严格协调天平刚度、载荷匹配及轴向灵敏度输出的矛盾；另一方面，由于轴向载荷特点和测量元件设置的客观要求，其他气动力分量对轴向力测量元件有不同程度的干扰变形，需通过设计尽量避免。

目前，传统天平的轴向测量元件结构形式主要有“I”型梁、“T”型梁、横“Π”型梁等，其多对称布置于天平设计中心的外侧，通过结构优化，一定程度上减少了其他气动力分量对轴向力的干扰；但由于其偏离天平轴线布置，力矩(包括俯仰力矩Mz、偏航力矩My及滚转力矩Mx)对轴向力的干扰变形则多大于轴向力的主应变，只能通过惠斯通电桥平衡消除，从而对应变片敷贴位置要求较高，且会导致轴向单元应变片长期工作在恶劣的应力/应变状态；另外，由于天平结构自身的非对称性，干扰应变无法通过电桥完全消除，且这类干扰多非线性，使天平校准时其他分量对轴向力的干扰系数较大。上述问题限制了六分量风洞应变天平轴向力测量精度的进一步提高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，针对现有天平其他气动力分量对轴向力干扰较大的问题，提供一种高精度轴向力测量风洞应变天平，设计了一种新的轴向力测量元件结构及布置形式，彻底解决了其他气动力分量对轴向力的干扰问题，提高了轴向力的测量精度，改善了轴向单元应变片长期处于恶劣的应力/应变状态。

本发明目的通过如下技术方案予以实现：

提供一种高精度轴向力测量风洞应变天平，轴向力框体和轴向力测量元件；

所述轴向力框体在风洞应变天平设计中心位置开有上下贯通的通槽，轴向力测量元件形成于该通槽内；

轴向力测量元件包括第一测量梁、第二测量梁和铰链结构，所述第一测量梁与第二测量梁通过铰链结构连接，分别竖直设置在铰链结构上下两侧；铰链结构为对称结构，中心位于天平设计中心，所述第一测量梁沿天平轴线向一侧偏移距离L，第二测量梁沿天平轴线向另外一侧偏移距离L。

优选的，轴向力测量元件还包括第一横梁和第二横梁，分别将第一测量梁和第二测量梁连接到所述轴向力框体。

优选的，对于某一具体的风洞应变天平通过有限元仿真计算第一测量梁和第二测量梁的偏移距离L，使得法向载荷对轴向力测量元件的干扰最小。

优选的，所述偏移距离L为1～3mm。

优选的，所述铰链结构为口型结构铰链，包括矩形框体，矩形框体的上、下片梁厚度小于两侧壁的厚度。

优选的，矩形框体的上、下片梁厚度小于0.8mm，两侧壁的厚度大于1.8mm。

优选的，还包括五分量测量元件，所述五分量测量元件为弹性元件，包括设置于天平轴线上的主梁以及对称设置于主梁两侧的第一侧梁和第二侧梁。

优选的，所述主梁横截面为八边形，所述侧梁横截面为矩形。

优选的，还包括支撑片梁组，所述轴向力框体被一条经过天平设计中心的前后贯通斜槽分为上、下两部分；支撑片梁组包括四组具有相同结构的片梁组，分别在左前方、左后方、右前方和右后方连接所述上、下两部分。

优选的，所述片梁组的薄片沿天平轴向等距排列，薄片厚度均为0.8mm～2mm，相邻支撑片之间距离为0.5mm～1mm。

优选的，薄片与上、下两部分连接的根部均倒圆角，圆角半径为0.3mm～0.5mm。

优选的，所述风洞应变天平采用高强度合金钢一体加工成型。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明提供的高精度轴向力测量风洞应变天平，突破了传统杆式应变天平轴向力测量元件的结构设计和布置方法，发展了新型轴向力测量元件结构形式，并将轴向力测量元件置于天平轴线上的设计中心位置，通过设置口字型结构以及测量梁的非对称结构设计，彻底解决了其他气动力分量对轴向力的干扰问题，提高了轴向力的测量精度。

(2)本发明提供的高精度轴向力测量风洞应变天平，减小了对轴向力框体的加工程度，天平变形小，提高了天平的刚度和承载能力。

(3)本发明提供的高精度轴向力测量风洞应变天平，由于其他气动力分量对轴向力测量元件几乎无干扰变形，降低了天平应变片的对称敷贴难度；同时，改善了轴向单元应变片长期工作在恶劣的应力/应变的状态，提高了天平的使用稳定性，延长了使用寿命。

(4)本发明提供的高精度轴向力测量风洞应变天平，可广泛应用于目前亚跨超声速风洞试验中，解决轴向力的精确测量问题，具有良好的实用性和推广价值。

附图说明

图1为本发明所述的高精度轴向力测量风洞应变天平的立体图。

图2为本发明所述的高精度轴向力测量风洞应变天平的正视图。

图3为图2的A-A剖视图。

图4为图2的B-B剖视图。

图5为图2的C-C剖视图。

图6为本发明实施例中轴向力测量元件结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图1-6，对本发明的具体实施方式作详细描述。

本发明公开了一种高精度轴向力测量风洞应变天平，彻底解决了其他气动力分量对轴向力的干扰问题，提高了轴向力测量精度和天平的使用稳定性。具体的指，提供一种高精度轴向力测量风洞应变天平，如图1所示，为一体加工成型结构，包括天平前锥1、五分量测量元件2、轴向力框体3、轴向力测量元件4、支撑片梁组5、等直径过渡段6和天平后锥7。

五分量测量元件2包括两组相同的柱梁结构，对称设置于轴向力框体3的两侧，其一端与轴向力框体3连接，另一端分别与天平前锥1和等直径过渡段6连接。等直径过渡段6的另一端与天平后锥7连接，进而形成一个整体结构。

五分量测量元件2为弹性元件，如图3所示，其为三柱梁结构，包括设置于天平轴线上的主梁21以及对称设置于主梁两侧的第一侧梁22和第二侧梁23，主梁横截面为八边形，侧梁横截面为矩形。主梁21的上下端面、第一侧梁22和第二侧梁23各自的外侧面敷贴有应变片，主梁21的上下端面的应变片用于测量法向力Y、俯仰力矩Mz和滚转力矩Mx；外侧面敷贴的应变片用于测量侧向力Z和偏航力矩My。

轴向力框体3由圆柱体切割而成，如图2所示，其径向对称轴和其轴线的交点称为天平设计中心。轴向力框体3在天平设计中心位置开有上下贯通的通槽，轴向力测量元件4形成于该通槽内，轴向力测量元件4的中心布置在天平设计中心上，以解决天平所受力矩，包括俯仰力矩Mz、偏航力矩My和滚转力矩Mx对轴向力元件的干扰变形问题，避免了轴向测量应变片受到上述载荷干扰，改善了轴向单元应变片长期工作在恶劣的应力/应变的状态，提高了使用寿命。轴向力框体3还被一条经过天平设计中心的前后贯通斜槽31分为上、下两部分，并由关于天平设计中心对称设置的支撑片梁组5和轴向力测量元件4共同连接为一个整体。

轴向力测量元件4为特殊设计结构，结合图2、图4和图6，其包括第一横梁41、第二横梁42、第一测量梁43、第二测量梁44和“口”型结构铰链45。“口”型结构铰链45对称设置于天平设计中心，消除了法向力(Y)和侧向力(Z)对轴向力测量的干扰。第一测量梁43的一端与第一横梁41连接，另一端与铰链45连接；第二测量梁44的一端与第二横梁42连接，另一端与铰链45连接。第一横梁41的另一端与轴向力框体3的上半部分连接，第二横梁42的另一端与轴向力框体3的下半部分连接。第一测量梁43和第二测量梁44靠近横梁位置的左右表面敷贴有应变片。为解决由于天平结构自身非对称性导致的轴向力测量干扰问题，轴向力测量元件4的第一测量梁43和第二测量梁44关于天平设计中心非对称设置，第一测量梁43沿天平轴线向左偏离天平设计中心，第二测量梁44沿天平轴线向右偏离天平设计中心。使用时将应变片贴在第一测量梁43、第二测量梁44各自的左右两侧，用于测量轴向力。

本实施例中，优选的，结合图2、图6，第一测量梁43沿天平轴线向左偏离距离L，第二测量梁44沿天平轴线向右偏离距离L。可以通过有限元计算的方式对应变天平仿真，对于某一具体的天平计算第一测量梁和第二测量梁的偏离距离，通常为1～3mm，在一个实施例中，第一测量梁43沿天平轴线向左偏离1.2mm，第二测量梁44沿天平轴线向右偏离1.2mm。

本一个实施例中，优选的，结合图2、图6，“口”型结构铰链45的上、下片梁厚度均为0.7mm，两侧壁的厚度均为2mm，由于上、下片梁较薄，法向刚度较弱，当天平受到法向载荷时，上、下片梁变形，卸载了第一测量梁43和第二测量梁44上的法向载荷，消除了法向力Y对轴向力测量的干扰。

支撑片梁组5包括四组具有相同结构的片梁组，如图5所示，分别为第一片梁组51、第二片梁组52、第三片梁组53和第四片梁组54，四组片梁组结构相同，均为片梁，薄片沿天平轴向等距排列，使得支撑片梁组5的轴向刚度低于其他方向分量。薄片的根部根部均倒圆角，圆角半径为0.3mm～0.5mm。

该四组片梁组关于天平设计中心对称的设置在轴向力框体3的左、右两侧和前、后两侧，以承受天平其他气动力分量载荷，避免其传递到轴向力测量元件4上，同时，提高了天平的刚度。

天平前锥1用于将模型连接到应变天平上，并将模型所受载荷传递到五分量测量元件2和轴向力测量元件4，测量模型所受载荷。

等直径过渡段6为柱体，用于将五分量测量元件2连接到天平后锥7，天平后锥7连接到支撑端，支撑整个应变天平系统。

本实施例中，优选的，如图5所示，每组片梁组包括五个尺寸相同的支撑片，其横截面均为矩形，薄片厚度均为1mm，相邻支撑片之间距离为0.8mm。

本实施例中，五分量测量元件的弹性梁以及支撑片梁组的支撑片根部均倒圆角，圆角半径为0.3mm～0.5mm，以减小应力集中。

本实施例中，应变天平采用高强度合金钢一体加工成型。

工作原理如下：

本发明中，关于天平设计中心对称布置的两组五分量测量元件2的主梁21、第一侧梁22和第二侧梁23上敷贴有应变片，共组成五个惠斯通电桥，分别用于测量法向力Y、侧向力Z、俯仰力矩Mz、偏航力矩My和滚转力矩Mx。风洞试验时，五分量测量元件2在法向力Y、侧向力Z、俯仰力矩Mz或偏航力矩My作用下发生弯曲变形，或在滚转力矩Mx作用下发生扭转变形，敷贴在其上的应变片感应其应变变化，并通过电桥将应变转换成电信号输出，最终通过天平静态校准公式将电信号转换为载荷值，完成五分量气动载荷的测量。由于支撑片梁组5在除轴向以外的其他方向上刚度远大于轴向力测量元件，且由于本发明的轴向力测量元件设置于天平设计中心并穿过天平轴线，同时设置了“口”型结构铰链45，并使轴向力测量梁非对称设置，受五分量气动载荷时，轴向力测量元件几乎不发生变形，彻底消除了其他气动力分量对轴向力的测量干扰。

本发明中，轴向力测量元件的第一测量梁和第二测量梁在靠近横梁位置的左右表面敷贴有应变片，组成一个惠斯通电桥，用于测量轴向力Q。风洞试验时，轴向力测量元件在轴向力Q的作用下发生弯曲变形，敷贴在其上的应变片感应其应变变化，并通过电桥将应变转换成电信号输出，最终通过天平静态校准公式将电信号转换为载荷值，完成轴向载荷的测量。由于其他五分量气动力对轴向力测量元件几乎无干扰变形，轴向力元件只有主应变输出，从而提高了轴向力测量精度，改善了轴向单元应变片长期工作在恶劣的应力/应变的状态，提高了天平的使用稳定性。

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 (12)

1.一种高精度轴向力测量风洞应变天平，其特征在于，包括轴向力框体(3)和轴向力测量元件(4)；

所述轴向力框体(3)在风洞应变天平设计中心位置开有上下贯通的通槽，轴向力测量元件(4)形成于该通槽内；

轴向力测量元件(4)包括第一测量梁(43)、第二测量梁(44)和铰链结构，所述第一测量梁(43)与第二测量梁(44)通过铰链结构连接，分别竖直设置在铰链结构上下两侧；铰链结构为对称结构，中心位于天平设计中心，所述第一测量梁(43)沿天平轴线向一侧偏移距离L，第二测量梁(44)沿天平轴线向另外一侧偏移距离L。

2.如权利要求1所述的一种高精度轴向力测量风洞应变天平，其特征在于，轴向力测量元件(4)还包括第一横梁(41)和第二横梁(42)，分别将第一测量梁(43)和第二测量梁(44)连接到所述轴向力框体(3)。

3.如权利要求1或2所述的一种高精度轴向力测量风洞应变天平，其特征在于，对于某一具体的风洞应变天平通过有限元仿真计算第一测量梁和第二测量梁的偏移距离L，使得法向载荷对轴向力测量元件(4)的干扰最小。

4.如权利要求3所述的一种高精度轴向力测量风洞应变天平，其特征在于，所述偏移距离L为1～3mm。

5.如权利要求1或2所述的一种高精度轴向力测量风洞应变天平，其特征在于，所述铰链结构为口型结构铰链(45)，包括矩形框体，矩形框体的上、下片梁厚度小于两侧壁的厚度。

6.如权利要求5所述的一种高精度轴向力测量风洞应变天平，其特征在于，矩形框体的上、下片梁厚度小于0.8mm，两侧壁的厚度大于1.8mm。

7.如权利要求5所述的一种高精度轴向力测量风洞应变天平，其特征在于，还包括五分量测量元件(2)，所述五分量测量元件为弹性元件，包括设置于天平轴线上的主梁(21)以及对称设置于主梁(21)两侧的第一侧梁(22)和第二侧梁(23)。

8.如权利要求7所述的一种高精度轴向力测量风洞应变天平，其特征在于，所述主梁横截面为八边形，所述侧梁横截面为矩形。

9.如权利要求5所述的一种高精度轴向力测量风洞应变天平，其特征在于，还包括支撑片梁组(5)，所述轴向力框体(3)被一条经过天平设计中心的前后贯通斜槽(31)分为上、下两部分；支撑片梁组(5)包括四组具有相同结构的片梁组，分别在左前方、左后方、右前方和右后方连接所述上、下两部分。

10.如权利要求9所述的一种高精度轴向力测量风洞应变天平，其特征在于，所述片梁组的薄片沿天平轴向等距排列，薄片厚度均为0.8mm～2mm，相邻支撑片之间距离为0.5mm～1mm。

11.如权利要求9所述的一种高精度轴向力测量风洞应变天平，其特征在于，薄片与上、下两部分连接的根部均倒圆角，圆角半径为0.3mm～0.5mm。

12.如权利要求5所述的一种高精度轴向力测量风洞应变天平，其特征在于，所述风洞应变天平采用高强度合金钢一体加工成型。

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