CN109632240B - 一种折叠舵展开过程中的舵面测力天平 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种折叠舵展开过程中的舵面测力天平，应用于导弹折叠舵展开风洞试验中的舵面动态测力。天平采用整体式结构，包括舵面连接端、传力梁、扭杆连接端和测量梁。根据舵面受力特性和外形要求，设计天平为单分量扭矩天平，且其外形与安装扭杆的扭头一致。由于空间限制，该天平设计非对称布局的两根梁来传递扭矩，其中一根梁为测量梁，另一根梁为传力梁，两根梁的截面尺寸和长度不同，优选了两根梁的尺寸，既保证了测量梁的变形和刚度又保证乐传力梁的传递效率和强度，两者的变形满足变形协调一致的条件使天平的性能在最佳状态。

Description

一种折叠舵展开过程中的舵面测力天平
技术领域
本发明涉及一种折叠舵展开风洞试验专用扭矩天平，主要应用于导弹折叠舵展开风洞试验中的舵面动态测力。
背景技术
导弹折叠舵展开风洞试验是导弹结构设计阶段的重要内容，折叠舵的展开状态是否正确，决定了导弹飞行的成败。作用在舵面上的气动载荷是影响折叠舵能否正常展开的关键因素，因此舵面的气动载荷是结构设计和部件选型的重要指标。测量折叠舵展开过程中的动态气动力矩还可以为分析侧风对舵面展开的影响提供依据。
通常，折叠舵展开过程中的舵面测力为静态测力，舵面测力天平为杆式扭矩天平，可以直接测量作用在舵面上的气动载荷，但是这种天平对外形破坏较大，且只能测量固定角度的静态载荷，不能完全真实的反应舵面展开过程中的气动载荷作用规律。舵面动态测力天平目前几乎没有相关文献，能参考的设计资料非常少，主要设计难点是在完全满足安装要求和不破坏气动外形的条件下，很难按照传统的设计布局来设计天平的测量梁，如果使用非对称布局设计测量梁，力的传递效率、传力梁的柔和刚度、测量梁之间的变形协调关系都需要详细的计算，甚至有些参数无法通过传统的计算方法来确定。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，发明了一种折叠舵展开过程中的舵面测力天平。该天平安装方式和外形与扭杆的固定零件一致，是应用于某型号折叠舵舵面动态测力的专用扭矩天平，天平的测量梁和传力梁采用非对称布局，通过在测量梁上粘贴四片电阻应变片组成全桥来将应变信号转换成电信号。
本发明的技术解决方案是：
提供一种折叠舵展开过程中的舵面测力天平，包括一体设置的舵面连接端、传力梁、扭杆连接端和测量梁；所述舵面连接端固定到待测折叠舵的舵面；
扭杆连接端的中部为长方体，具有与折叠舵扭杆的形状匹配方形通孔；长方体的上部沿轴线延伸形成传力梁，长方体的下部沿轴线延伸形成测量梁，传力梁的上端以及测量梁下端与舵面连接端连接。
优选的，测量梁的长度大于传力梁。
优选的，测量梁的长度L1和传力梁的长度L2的关系为L2＝3L1。
优选的，测量梁的横截面和传力梁的横截面的关系为：5b1 3h1＝b2 3h2,其中b1为测量梁的宽度，h1为测量梁的厚度，b2为传力梁的宽度，h2为传力梁的厚度。
优选的，材质为：30CrMnSiA。
优选的，测量梁的横截面和传力梁的变形关系：f1＝5f2，其中f1为为测量梁的变形，f2为传力梁的变形。
优选的，折叠舵扭杆的变形传递给扭杆连接端，扭杆连接端传递给测量梁，引起测量梁的横向变形；天平为单分量扭矩天平，测量值为折叠舵舵面所受的合力矩，合力矩减去扭杆力矩、舵面重力力矩和舵面摩擦力矩就是折叠舵舵面所受的空气力矩。
优选的，测量梁的两个侧面分别粘贴应变片，检测测量梁的横向变形，计算出折叠舵所受的总力矩。
优选的，实验前通过加载机构对舵面测力天平施加标准力，标定测量梁的横向变形与测力天平所受力矩的关系。
优选的，扭杆连接端长方体中段向上突起，突起的部分用于安装其他试验所需的传感器。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明的设计外形和安装方式与折叠舵的扭杆固定部件相同，不会破坏舵面的气动外形和内部部件之间的运动关系，有效提高了舵面测力的精度。
(2)本发明通过天平与舵面和扭杆的连接关系，能够实现折叠舵展开过程中的舵面动态测力，测量结果较以前更具有真实性。
(3)本发明提出了一种在有限空间下专用扭矩天平梁单元非对称布置的设计布局，这种设计布局也可以应用于其他工作空间有限的天平。
(4)本发明优化了传力梁和测量梁的结构，提高了扭矩的传递效果。
附图说明
图1为天平的正视图；
图2为天平左视图的全剖视图；
图3为电阻应变片的粘贴位置；
图4为天平的全桥电路图。
具体实施方式
折叠舵展开过程中需要承受扭杆力矩、舵面空气力矩、舵面重力力矩和舵面摩擦力矩，在风洞试验过程中要求测量部件尽量不破坏舵面外形。
以下结合附图详细介绍本发明，如图1、图2所示，天平为单分量扭矩天平。天平外形和安装位置与扭头一致，不会破坏舵面气动外形。天平为整体结构主由舵面连接端1、传力梁2、扭杆连接端3、测量梁4。舵面连接端1作为天平的整体外框，根据舵面上的安装位置，舵面连接端1上设计了四个通孔，用螺钉将天平安装在折叠舵的舵面上。扭杆连接端3作为天平的内框，根据折叠舵扭杆的安装尺寸，扭杆连接端3设计为方孔，扭杆直接插入方孔即可，扭杆连接端3右端用来安装角度传感器的转接轴，螺钉经过上下两侧的螺纹孔可以将角度传感器转接轴顶死在方孔内，防止脱落。与传统的扭矩传感器布局不同，天平的设计中心为扭杆连接端3方孔的几何中心，传力梁2和测量梁4关于设计中心非对称布置，两根梁的截面尺寸和长度不同，两者满足变形协调一致条件，在满足测量梁4变形和刚度的同时，保证了传力效率和测量梁4的强度要求。
如图2所示，测量梁4的横截面和传力梁2的横截面的关系为：5b1 3h1＝b2 3h2,其中b1为测量梁4的宽度，h1为测量梁4的厚度，b2为传力梁2的宽度，h2为传力梁2的厚度。
如图3所示，由于在传力梁2的约束下，测量梁4会发生“S”变形，这种变形方式不同于一般力矩作用下的纯弯曲变形，其应变主要产生在测量梁3的两端接近根部的位置。因此四个应变片片a1、a2、a3、a4粘贴在测量梁3的两端。
图4所示为四个应变片a1、a2、a3、a4构成的全桥电路图。
舵面测力天平的测量原理为：折叠舵的舵面在展开过程中要受到扭杆的驱动力矩、舵面空气力矩、舵面重力力矩和舵面摩擦力矩。按照天平的安装方式，扭杆的驱动力矩通过扭杆连接端3传递给传力梁2和测量梁4，舵面上的舵面空气力矩、舵面重力力矩和舵面摩擦力矩通过舵面连接端1传递给传力梁2和测量梁4。受到所有力矩的综合作用，传力梁2和测量梁4均产生变形，其中测量梁4产生“S”变形，传力梁2变形不作为研究内容，只要其能够保证测量梁4有足够的应变，且其自身满足强度条件即可。粘贴在测量梁4上的四个应变片a1、a2、a3、a4均产生相应的应变，全桥电路的信号产生变化并输出，由此完成了折叠舵舵面合力矩的测量，合力矩减去扭杆力矩、舵面重力力矩和舵面摩擦力矩就是折叠舵舵面所受的空气力矩。
根据天平的外形尺寸和安装尺寸的要求，天平采用一根测量梁和一根传力梁关于设计中心非对称布置的结构布局，两根梁的截面尺寸和长度不同，在传力梁的约束下，测量梁会发生“S”变形，这种变形方式不同于一般力矩作用下的纯弯曲变形。根据测量梁的变形形式，在测量梁的测量面上粘贴4片电阻应变片，然后组成全桥，最终将测量梁的应变转换成电信号输出。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (9)

1.一种折叠舵展开过程中的舵面测力天平，其特征在于：包括一体设置的舵面连接端(1)、传力梁(2)、扭杆连接端(3)和测量梁(4)；所述舵面连接端(1)固定到待测折叠舵的舵面；
扭杆连接端(3)的中部为长方体，具有与折叠舵扭杆的形状匹配方形通孔；长方体的上部沿轴线延伸形成传力梁(2)，长方体的下部沿轴线延伸形成测量梁(4)，传力梁(2)的上端以及测量梁(4)下端与舵面连接端(1)连接；
折叠舵扭杆的变形传递给扭杆连接端(3)，扭杆连接端(3)传递给测量梁(4)，引起测量梁(4)的横向变形；天平为单分量扭矩天平，测量值为折叠舵舵面所受的合力矩，合力矩减去扭杆力矩、舵面重力力矩和舵面摩擦力矩就是折叠舵舵面所受的空气力矩。
2.如权利要求1所述的折叠舵展开过程中的舵面测力天平，其特征在于，测量梁(4)的长度大于传力梁(2)。
3.如权利要求2所述的折叠舵展开过程中的舵面测力天平，其特征在于，测量梁(4)的长度L1和传力梁(2)的长度L2的关系为L2＝3L1。
4.如权利要求2所述的折叠舵展开过程中的舵面测力天平，其特征在于，测量梁(4)的横截面和传力梁(2)的横截面的关系为：5b1 3h1＝b2 3h2,其中b1为测量梁(4)的宽度，h1为测量梁(4)的厚度，b2为传力梁(2)的宽度，h2为传力梁(2)的厚度。
5.如权利要求2所述的折叠舵展开过程中的舵面测力天平，其特征在于，材质为：30CrMnSiA。
6.如权利要求1所述的折叠舵展开过程中的舵面测力天平，其特征在于，测量梁(4)的横截面和传力梁(2)的变形关系：f1＝5f2，其中f1为为测量梁(4)的变形，f2为传力梁(2)的变形。
7.如权利要求1所述的折叠舵展开过程中的舵面测力天平，其特征在于，测量梁(4)的两个侧面分别粘贴应变片，检测测量梁(4)的横向变形，计算出折叠舵所受的总力矩。
8.如权利要求7所述的折叠舵展开过程中的舵面测力天平，其特征在于，实验前通过加载机构对舵面测力天平施加标准力，标定测量梁(4)的横向变形与测力天平所受力矩的关系。
9.根据权利要求1所述的一种折叠舵展开过程中的舵面测力天平，其特征在于：扭杆连接端(3)长方体中段向上突起，突起的部分用于安装其他试验所需的传感器。
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