CN109556821A - 一种测量天平校心与风洞试验模型相对位置的装置 - Google Patents

Abstract

一种测量天平校心与风洞试验模型相对位置的装置，涉及常规高超声速风洞试验技术领域；包括加载装置、模型后段、隔热套、杆式天平、支杆和攻角机构刀臂；其中，支杆为水平放置的柱形杆状结构；且支杆的轴向一端设置有凹槽；杆式天平的轴向一端沿轴向伸入支杆的凹槽中；隔热套设置在杆式天平与支杆的连接处；且隔热套套装在杆式天平轴向另一端的外壁；模型后段同轴固定套装在隔热套的外壁；加载装置竖直悬挂在模型后段的轴向一端；攻角机构刀臂套装在支杆轴向另一端的外壁；本发明操作简单，排除了人为测量误差的影响，测量精度高，为高超声速风洞试验高精度测量飞行器的力矩奠定基础。

Description

一种测量天平校心与风洞试验模型相对位置的装置

技术领域

本发明涉及一种常规高超声速风洞试验技术领域，特别是一种测量天平校心与风洞试验模型相对位置的装置。

背景技术

目前航空航天研发进展迅速，新一代的飞行器性能指标和精度要求更高，对现有的地面气动试验测量精度上提出更高的要求。以某弹头的气动试验为例，由于弹头非常规外形，其表面没有控制舵面，俯仰方向气动配平仅仅只靠外形底部凸出一部分，其控制余度很小。需要气动试验提供俯仰方向上精确的配平攻角，因此，气动试验必须给出准确的俯仰力矩系数。

常规杆式六分量天平进行模型风洞试验时，模型、隔热套、天平和支杆采用螺钉固定在一起。风洞测力试验时，应变天平承受作用在模型上的空气动力载荷。测量元件在空气动力载荷作用下产生变形，其应变与外力大小成正比，粘贴在天平元件表面的应变计也同时发生变形，其电阻值随之变化，产生一个增量。这个电阻增量由应变计组成的惠斯顿全桥测量电路转换成电压增量，该电压增量值与应变天平所承受的气动力载荷值成正比。将电压信号通过A/D转换后，输入到计算机上进行处理，即可得到作用在应变天平上的力与力矩，其作用点是在天平校心上。试验数据处理过程中需要将以天平校心为原点的天平坐标系下测量的力和力矩系数转换到以质心为原点的弹体坐标系下。在力矩转换的过程中，需要天平校心和质心两个坐标系原点的距离。质心到模型底部端面距离是已知的，因此需要测量出天平校心到模型底部端面距离，也就是天平校心与风洞试验模型相对位置。力矩转换公式如下所示：

为模型质心的俯仰力矩系数，为天平校心的俯仰力矩系数，为法向力系数，为参考长度。因此，的测量值会影响弹体坐标系下的质心俯仰力矩系数。

为了获得距离值。在目前的试验操作中，一般使用游标卡尺测量天平头部端面到支杆某一参考点(支杆上给定的一点)的距离、模型底部端面到支杆某一参考点(支杆上给定的一点)的距离，天平的静校证书上给出了天平头部端面到天平校心的距离，根据这些距离参数，可以计算出天平校心和顶点距离。

在实际使用游标卡尺测量距离K1和K2有较大的偏差，从而给带来较大的偏差。原因一是天平头部端面、模型底部端面与支杆上给定参考点不在同一水平平面内，使得测量值和不是实际的水平距离，而是一个倾斜的距离，一是试验段空间狭小，测量人员的用游标卡尺测量经常遇到各种不便。二是测量引入人为误差。

为了提高测量天平校心与风洞试验模型相对位置精度。尝试引进了测量精度高的小型三坐标测量机检测设备。三坐标测量机是一种高精度的昂贵检测设备。三坐标测量机采用接触式测量方式，其原理是：利用测针与工件的直接接触，在压力作用下测针产生位移，测头的传感器激发信号，信号接收装置接受信号，由三坐标测量机记录此时的坐标。完成测量时，各点的坐标返回PC端的测量软件中，通过数据整理、误差补偿等步骤，算出测量点的真实坐标。三个测量点可以组成一个平面，因此可以采用其测量天平头部端面到模型底部端面的距离。

但是在实际的应用中，发现有以下问题：一是风洞试验段的空间狭小，小型三坐标测量机需要放置在水平的平台上，使得其放置变得较为困难。二是同时在牵引三坐标测量机摇臂使测针与模型端面直接接触时，而此时模型、天平和支杆固定在攻角机构刀臂上，三坐标测量机摇臂在移动的过程中经常与模型和支杆发生干涉，使得组成平面的三个测量点局限在测量端面的很小一个区域，造成误差较大。三是三坐标测量机需要经过多次测量，需要的工时长，对人员的操作要求高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种测量天平校心与风洞试验模型相对位置的装置，操作简单，排除了人为测量误差的影响，测量精度高，为高超声速风洞试验高精度测量飞行器的力矩奠定基础。

本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：

一种测量天平校心与风洞试验模型相对位置的装置，包括加载装置、模型后段、隔热套、杆式天平、支杆和攻角机构刀臂；其中，支杆为水平放置的柱形杆状结构；且支杆的轴向一端设置有凹槽；杆式天平的轴向一端沿轴向伸入支杆的凹槽中；隔热套设置在杆式天平与支杆的连接处；且隔热套套装在杆式天平轴向另一端的外壁；模型后段同轴固定套装在隔热套的外壁；加载装置竖直悬挂在模型后段的轴向一端；攻角机构刀臂套装在支杆轴向另一端的外壁。

在上述的一种测量天平校心与风洞试验模型相对位置的装置，所述测量装置还包括砝码；每个砝码的重量为0.1kg。

在上述的一种测量天平校心与风洞试验模型相对位置的装置，所述加载装置包括加载吊框和砝码盘；其中，加载吊框为矩形框架结构；加载吊框套装在模型后段的轴向一端；且加载吊框定边的下沿与模型后段顶部外壁接触；砝码盘悬挂在加载吊框的下壁；且砝码盘保持水平。

在上述的一种测量天平校心与风洞试验模型相对位置的装置，所述模型后段的顶部设置有锥孔；锥孔与模型后段轴向指向隔热套一端的端面距离为10-15mm。

在上述的一种测量天平校心与风洞试验模型相对位置的装置，所述锥孔的深度为0.025-0.035mm；锥孔的锥角为120°。

在上述的一种测量天平校心与风洞试验模型相对位置的装置，所述加载吊框顶壁下端设置有顶尖；加载装置悬挂在模型后段的外壁时，顶尖伸入锥孔，且顶尖与锥孔底部接触。

在上述的一种测量天平校心与风洞试验模型相对位置的装置，所述顶尖与锥孔为点接触。

在上述的一种测量天平校心与风洞试验模型相对位置的装置，计算天平校心与风洞试验模型相对位置的方法为：

S1：计算加载点到天平校心距离L₁；

S2：测量加载点到模型后段端面的距离L₂；

S3：计算天平校心与风洞试验模型相对位置L_x。

在上述的一种测量天平校心与风洞试验模型相对位置的装置，所述S1中，加载点到天平校心距离L₁的计算方法为：

向砝码盘上添加砝码；从0.1kg；每次增加1个砝码，直至重量增加至1kg；

式中，M为施加在杆式天平的力矩；

G为施加在杆式天平的力；

H为加载重量；

为一次函数拟合曲线G～H的斜率；

为一次函数拟合曲线M～H的斜率。

在上述的一种测量天平校心与风洞试验模型相对位置的装置，所述S3中，天平校心与风洞试验模型相对位置L_x的计算方法为：

L_x＝L₂-L₁。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明采用多次加载方法来获得力矩Mz和力G，提高天平校心距加载点的距离L₁值的精度，并能给出L_X不确定度；

(2)本发明天平头部端面到天平校心的距离是在天平静校时采用深度尺7次测量给出的，天平静校证书上给出了天平头部端面到天平校心的距离的误差。本发明方法直接采用天平处理程序计算获得的天平上力G和力矩M，来计算出值，不再需要引入天平头部端面到天平校心的距离，提高了值的精度；

(3)本发明适合在风洞试验段的空间狭小空间进行，操作简单便捷。同时不会引入额外的人为测量误差。

附图说明

图1为本发明测量装置示意图；

图2为本发明加载装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

本发明提出了一种测量天平校心与风洞试验模型相对位置的装置，相比目前风洞试验过程中采用游标卡尺的常规测量方法和三坐标测量机测量方法，该方法适合在风洞试验段进行，操作简单，排除了人为测量误差的影响，测量精度高，为高超声速风洞试验高精度测量飞行器的力矩奠定基础。

如图1所示为测量装置示意图，由图可知，一种测量天平校心与风洞试验模型相对位置的装置，包括加载装置1、模型后段2、隔热套3、杆式天平4、支杆5、攻角机构刀臂6和砝码；其中，支杆5为水平放置的柱形杆状结构；且支杆5的轴向一端设置有凹槽；杆式天平4的轴向一端沿轴向伸入支杆5的凹槽中；隔热套3设置在杆式天平4与支杆5的连接处；且隔热套3套装在杆式天平4轴向另一端的外壁；模型后段2同轴固定套装在隔热套3的外壁；加载装置1竖直悬挂在模型后段2的轴向一端；攻角机构刀臂6套装在支杆5轴向另一端的外壁。每个砝码的重量为0.1kg。在测量过程中，模型后段2、杆式天平4、支杆5和攻角机构刀臂6固定在一起，并调至水平。

如图2所示为加载装置示意图，由图可知，加载装置1包括加载吊框11和砝码盘12；其中，加载吊框11为矩形框架结构；加载吊框11套装在模型后段2的轴向一端；且加载吊框11定边的下沿与模型后段2顶部外壁接触；砝码盘12悬挂在加载吊框11的下壁；且砝码盘12保持水平。

模型后段2的顶部设置有锥孔21；锥孔21与模型后段2轴向指向隔热套3一端的端面距离为10-15mm。锥孔21的深度为0.025-0.035mm；锥孔21的锥角为120°。

加载吊框11顶壁下端设置有顶尖111；加载装置1悬挂在模型后段2的外壁时，顶尖111伸入锥孔21，且顶尖111与锥孔21底部接触。顶尖111与锥孔21为点接触。

计算天平校心与风洞试验模型相对位置的方法为：

S1：计算加载点到天平校心距离L₁；

加载点到天平校心距离L₁的计算方法为：

向砝码盘12上添加砝码；从0.1kg；每次增加1个砝码，直至重量增加至1kg；采用数据采集系统对天平输出电压信号进行采集，然后通过天平处理程序计算出施加在天平上力G和力矩M；

式中，M为施加在杆式天平4的力矩；

G为施加在杆式天平4的力；

H为加载重量；

为一次函数拟合曲线G～H的斜率；

为一次函数拟合曲线M～H的斜率。

S2：测量加载点到模型后段2端面的距离L₂；加载点位置是在试验模型设计加工过程中给定的。

S3：计算天平校心与风洞试验模型相对位置L_x；

天平校心与风洞试验模型相对位置L_x的计算方法为：

L_x＝L₂-L₁。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种测量天平校心与风洞试验模型相对位置的装置，其特征在于：包括加载装置(1)、模型后段(2)、隔热套(3)、杆式天平(4)、支杆(5)和攻角机构刀臂(6)；其中，支杆(5)为水平放置的柱形杆状结构；且支杆(5)的轴向一端设置有凹槽；杆式天平(4)的轴向一端沿轴向伸入支杆(5)的凹槽中；隔热套(3)设置在杆式天平(4)与支杆(5)的连接处；且隔热套(3)套装在杆式天平(4)轴向另一端的外壁；模型后段(2)同轴固定套装在隔热套(3)的外壁；加载装置(1)竖直悬挂在模型后段(2)的轴向一端；攻角机构刀臂(6)套装在支杆(5)轴向另一端的外壁。

2.根据权利要求1所述的一种测量天平校心与风洞试验模型相对位置的装置，其特征在于：所述测量装置还包括砝码；每个砝码的重量为0.1kg。

3.根据权利要求2所述的一种测量天平校心与风洞试验模型相对位置的装置，其特征在于：所述加载装置(1)包括加载吊框(11)和砝码盘(12)；其中，加载吊框(11)为矩形框架结构；加载吊框(11)套装在模型后段(2)的轴向一端；且加载吊框(11)定边的下沿与模型后段(2)顶部外壁接触；砝码盘(12)悬挂在加载吊框(11)的下壁；且砝码盘(12)保持水平。

4.根据权利要求3所述的一种测量天平校心与风洞试验模型相对位置的装置，其特征在于：所述模型后段(2)的顶部设置有锥孔(21)；锥孔(21)与模型后段(2)轴向指向隔热套(3)一端的端面距离为10-15mm。

5.根据权利要求4所述的一种测量天平校心与风洞试验模型相对位置的装置，其特征在于：所述锥孔(21)的深度为0.025-0.035mm；锥孔(21)的锥角为120°。

6.根据权利要求5所述的一种测量天平校心与风洞试验模型相对位置的装置，其特征在于：所述加载吊框(11)顶壁下端设置有顶尖(111)；加载装置(1)悬挂在模型后段(2)的外壁时，顶尖(111)伸入锥孔(21)，且顶尖(111)与锥孔(21)底部接触。

7.根据权利要求6所述的一种测量天平校心与风洞试验模型相对位置的装置，其特征在于：所述顶尖(111)与锥孔(21)为点接触。

8.根据权利要求7所述的一种测量天平校心与风洞试验模型相对位置的装置，其特征在于：计算天平校心与风洞试验模型相对位置的方法为：

S1：计算加载点到天平校心距离L₁；

S2：测量加载点到模型后段(2)端面的距离L₂；

S3：计算天平校心与风洞试验模型相对位置L_x。

9.根据权利要求8所述的一种测量天平校心与风洞试验模型相对位置的装置，其特征在于：所述S1中，加载点到天平校心距离L₁的计算方法为：

向砝码盘(12)上添加砝码；从0.1kg；每次增加1个砝码，直至重量增加至1kg；

式中，M为施加在杆式天平(4)的力矩；

G为施加在杆式天平(4)的力；

H为加载重量；

为一次函数拟合曲线G～H的斜率；

为一次函数拟合曲线M～H的斜率。

10.根据权利要求9所述的一种测量天平校心与风洞试验模型相对位置的装置，其特征在于：所述S3中，天平校心与风洞试验模型相对位置L_x的计算方法为：

L_x＝L₂-L₁。