CN109946036B - 一种高速风洞测力测压一体化试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速风洞测力测压一体化试验方法，采用应变片粘贴于测压支杆表面，利用测压支杆受力之后发生的形变来测量模型所受到的气动力，从而在保证测压数据量不减小的前提下实现测力和测压。本发明的效果是：基于传统风洞测压模型，通过简易的测力元件实现测力和测压同步进行，在不减少测压数据量的前提下得到同步测力数据，避免了人为协调处理测力测压结果导致的误差，与此同时，利用测力数据可以对模型弹性角进行修正，从而得到更准确的模型姿态角,弹性角修正方法与传统测力试验时采用的方法一样，先通过标准砝码加载得到不同载荷下的弹性角，从而拟合得到弹性角随载荷变化的修正公式，进而可以根据风洞试验时的测力值反算弹性角大小。

Description

一种高速风洞测力测压一体化试验方法

技术领域

本发明属于高速风洞试验技术领域，具体涉及一种高速风洞测力测压一体化试验方法。

背景技术

高速风洞试验中测力试验与测压试验通常分开进行，模型也分别设计，究其原因一方面是由于测压管路占用空间和传统内置式天平所需空间相冲突，另一方面测压孔的存在是否会引起测力结果失真也存在疑问。当然，对于有某些特殊要求的型号试验，通过在大型高速风洞(如2.4米跨声速风洞)中设计复杂的专用模型也能实现测力与测压同时进行，但是这种做法操作复杂、周期长、价格高，而且测压点数也远远小于传统测压试验。

因此，目前高速风洞试验中最常用的全模测力和全模测压试验依然采用不同的模型分别进行试验，这会导致测压试验数据积分结果与测力试验结果不一致，这样的两套数据难以直接用于型号设计，必须通过专门的手段将测力和测压数据协调处理后才能使用，而这必然也会引入额外的误差。

事实上，测力结果与测压结果本身就具有较强的互补性，可相互印证，表面压力分布结果可用于解释非常规气动现象，有利于深入分析流动机理，测力结果可用于表面压力积分结果的标定，对于因模型内部空间有限而没法在模型内部安装迎角传感器的情形，测力结果还可以辅助修正模型姿态角。如果能在测压试验的同时获得测力数据，这两套数据即可合二为一，避免了人为协调处理数据的误差，本发明致力于研究这样一种测力/测压一体化的试验技术。

发明内容

为了在高速风洞中实现测力测压试验同时进行，并且要保证测压点数不减少、操作便捷、成本低，本发明提供一种高速风洞测力测压一体化试验方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种高速风洞测力测压一体化试验方法，采用应变片粘贴于测压支杆表面，利用测压支杆受力之后发生的形变来测量模型所受到的气动力，从而在保证测压数据量不减小的前提下实现测力和测压。

作为优选方式，利用测力结果对模型弹性角进行修正。

作为优选方式，采用标准砝码加载的方式进行模型弹性角修正：先通过标准砝码加载得到不同载荷下的弹性角，从而拟合得到弹性角随载荷变化的修正公式，进而可以根据风洞试验时的测力值反算弹性角大小。

作为优选方式，为了确保测力结果的准确可靠，模型与支杆之间的连接方式采用过盈配合确保无松动，应变片的粘贴区域避开模型与支杆连接处附近的应力集中区。

作为优选方式，应变片尽可能靠近模型以减小支杆所受气动力导致的系统误差。

作为优选方式，通过设计多裕度的测力桥路来保证测力结果的稳定度。

作为优选方式，多裕度的测力桥路包括两组，第一组测力桥路包括电阻R1-R12，电阻R1-R12分布在支杆的同一圆周上，第二组测力桥路包括电阻R13-R24，电阻R13-R24分布在支杆的同一圆周上；

其中R1-R4组成第一测力单元；R5-R8组成第二测力单元；R9-R12组成第三测力单元；R13-R16组成第四测力单元；R17-R20组成第五测力单元；R21-R24组成第六测力单元。

作为优选方式，在正式开始风洞试验之前，采用标准砝码挂载的方式来检验测力系统是否工作正常，如果砝码加载结果不正常，需要对整个测力系统进行排查并修复后才继续试验。

作为优选方式，试验方法进行两次以上，两次或者多次重复性试验结果的均方根误差不超过力与力矩系数均方根误差上限值表中的值即可认为结果是有效的。需要说明的是本发明并不需要额外的重复性试验来对各组结果做一个筛选。

本发明的有益效果是：

基于传统风洞测压模型，通过简易的测力元件实现测力和测压同步进行，在不减少测压数据量的前提下得到同步测力数据，避免了人为协调处理测力测压结果导致的误差，与此同时，利用测力数据可以对模型弹性角进行修正，从而得到更准确的模型姿态角。

附图说明

图1为本发明的测力元件设计示意图；

图2为图1的A-A剖视示意图；

图3为图1的B-B剖视示意图；

图4为应变片的分组示意图；

图5为本发明的典型测力结果与传统内置天平测力结果对比；

图6为本发明的典型马赫数下的测力均方根误差。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

传统测压模型与支杆之间常采用锥面配合或者柱面配合，通过螺钉拉紧连接，但是由于模型和支杆内部需要布置测压管路，因而没有足够的空间来布置传统测力天平，所以传统测压试验时往往只能得到测压试验结果而没有测力试验结果。

如图1所示，一种高速风洞测力测压一体化试验方法，采用应变片粘贴于测压支杆表面，利用测压支杆受力之后发生的形变来测量模型所受到的气动力，从而在保证测压数据量不减小的前提下实现测力和测压。图1中的模型端是指靠近模型的一侧，尾部尖端是模型最后面的部分，一般模型尾部是尖的，因此称之为尾部尖端。应变片引出来一束电线顺着支杆延伸，汇集到专用航空插头之上再进入测量采集系统。

在一个优选实施例中，利用测力结果对模型弹性角进行修正。

在一个优选实施例中，采用标准砝码加载的方式进行模型弹性角修正：先通过标准砝码加载得到不同载荷下的弹性角，从而拟合得到弹性角随载荷变化的修正公式，进而可以根据风洞试验时的测力值反算弹性角大小。测力元件校准，通过挂载标准砝码的方式加载，校准方法参照《风洞应变天平规范》(GJB 2244A—2011)和《风洞应变天平校准规范》(Q/GSS 316-2014)，采用单元校准方法完成，获得测力迭代公式的同时也得到了系统的弹性角修正系数，弹性角修正系数用于模型姿态角的修正。校准是指对测力单元进行校准，应变片或者应变片本身只是根据不同的应变量大小来输出不同的电压值，校准的过程就是通过不同重量的标准砝码加载得到不同的应变片电压值，从而拟合得到测力迭代公式(即根据应变片的电压输出值反算所受载荷的公式)。弹性角修正是根据测得的载荷大小来反算模型弹性角的过程，模型弹性角是模型姿态角的一部分，在传统测压试验时，由于没有测力元件，因而无法得到弹性角修正公式，所以往往是直接忽略了弹性角的。本发明测力元件就是指基于应变片设计搭建的测力单元。

在一个优选实施例中，为了确保测力结果的准确可靠，模型与支杆之间的连接方式采用过盈配合确保无松动，应变片的粘贴区域避开模型与支杆连接处附近的应力集中区。

在一个优选实施例中，应变片尽可能靠近模型以减小支杆所受气动力导致的系统误差。

在一个优选实施例中，通过设计多裕度的测力桥路来保证测力结果的稳定度。

在一个优选实施例中，多裕度的测力桥路包括两组，第一组测力桥路包括电阻R1-R12，电阻R1-R12分布在支杆的同一圆周上，第二组测力桥路包括电阻R13-R24，电阻R13-R24分布在支杆的同一圆周上；第一组测力桥路与第二组测力桥路间隔一定的距离；

如图4所示，其中R1-R4组成第一测力单元；R5-R8组成第二测力单元；R9-R12组成第三测力单元；

R13-R16组成第四测力单元；R17-R20组成第五测力单元；R21-R24组成第六测力单元；

如图2所示，R1与R4相对设置，R2与R3相对设置；R5与R8相对设置，R6与R7相对设置；R9与R12相对设置，R10与R11相对设置，相对设置均指在同一圆周上相对设置，即位于圆的同一直径上；

如图3所示，R13与R16相对设置，R14与R15相对设置；R17与R20相对设置，R18与R19相对设置；R21与R24相对设置，R22与R23相对设置，相对设置均指在同一圆周上相对设置，即位于圆的同一直径上。

在一个优选实施例中，应变片粘贴于支杆上之后再覆盖一层保护胶，保护胶的作用主要是防止震动、撞击导致应变片损坏脱落，以及防潮等。

图5是本发明的典型测力结果与传统内置天平测力结果对比，其中常规测力曲线结果是2013年用相同尺寸和外形的测力标模在1.2米跨超声速风洞得到的试验结果，其余三条曲线分别对应本发明的三组简易外置式测力元件；

R1～R4分别对应四个应变片，这四个应变片通过图4所示电路图输出一个电压值△U1，以此类推：

R5～R8组成的电路输出一个电压值△U2；

R9～R12组成的电路输出一个电压值△U3；

R13～R16组成的电路输出一个电压值△U4；

R17～R20组成的电路输出一个电压值△U5；

R21～R24组成的电路输出一个电压值△U6；

其中通过△U1和△U4可以得到第一组测力结果，通过△U2和△U5可以得到第二组测力结果，通过△U3和△U6可以得到第三组测力结果。第一组测力、第二组测力和第三组测力是一个整体，作为本申请技术方案的一部分。

试验结果，可以看出，本发明的测力结果与传统内置式六分量天平的测力结果吻合良好。

第一组测力桥路与第二组测力桥路之间的距离为160mm。第一组测力桥路的所有电阻分布在支杆圆周的上部和下部，其中圆周上部的电阻分布在90°对于的圆弧范围内，因此，圆周下部的电阻也分布在90°对于的圆弧范围内。第二组测力桥路的所有电阻分布在支杆另一圆周的上部和下部，其中圆周上部的电阻分布在90°对于的圆弧范围内，因此，圆周下部的电阻也分布在90°对于的圆弧范围内。优选地，90°的角平分线为支杆圆周的竖直平分线。选择不同的位置测量不同的应变值，从而实现整个系统能够在较宽的载荷范围内工作。90°对应的范围内，比如图3所示的89°对应的范围。

在一个优选实施例中，在正式开始风洞试验之前，采用标准砝码挂载的方式来检验测力系统是否工作正常，如果砝码加载结果不正常，需要对整个测力系统进行排查并修复后才继续试验。有时候这个修复过程是很费时间的，而风洞试验本身争分夺秒，时间就是金钱，因此，如果采用多裕度的测力系统还有一个优势就是在时间非常紧迫而出问题的某一组测力元件短时间内无法修复时，可以先将就能用的其他几组测力元件进行试验，拿到最急需的试验结果。

在一个优选实施例中，试验方法进行两次以上，两次或者多次重复性试验结果的均方根误差不超过力与力矩系数均方根误差上限值表中的值(相应的值不超过表中相应的值即可)即可认为结果是有效的，试验结果的详细数据处理方法参见《高速风洞测力试验数据处理方法》(路波主编)一书。力与力矩系数均方根误差上限值表如下：

力与力矩系数均方根误差上限值

图6是本发明的典型马赫数下的测力均方根误差，可以看出，第二组和第三组的测力结果均方根误差与常规测力的均方根误差相当，第二组和第三组的测力均方根误差全部小于力与力矩系数均方根误差上限值表中的上限值，第一组测力均方根误差相对略差，但是除4°迎角的法向力系数之外，其他点也全部达到国军标合格指标，三组测力结果的均方根误差存在差异，也正是多裕度设计的价值所在。多裕度的测力桥路在设计时就充分考虑布置在应变量不同的区域，从而防止出现在某些应变量区域应变片的测值精准度不高的问题，本案中，设计之初也不知道第二组和第三组测得结果会优于第一组，这种多裕度设计方法本身就是一种互相验证规避风险的做法。

同一个圆周上不同地方在受载时的应变是不一样的，而应变片本身有一个比较理想的工作区间，我们的目标是让应变片尽量工作在它精准度比较高的区间，本申请中，第一组测力元件粘贴于最靠近竖直中间的位置，该位置应变相对较大，因此第一组的测力元件适合载荷较小时工作，本次试验第一组结果较差是由于载荷比较大导致应变太大超出了应变片的最佳工作范围所致或者第一组应变片粘贴工艺不如另外两组好。

总之，不能因为本次试验第一组结果不好就说这个位置不适合，有可能在下一次试验载荷较小的时候第一组的精准度更高，正因为存在这个不确定性，所以设置了三组测力元件来降低试验失败的风险。

测力元件安装的位置可根据具体模型的外形、载荷和支杆的结构形式作相应的调整，其设计原则是在避开模型和支杆连接处的应力集中区域的前提下让测力元件尽量靠近模型。

传统测压模型与支杆之间常采用锥面配合或者柱面配合，通过螺钉拉紧连接，但是由于模型和支杆内部需要布置测压管路，因而没有足够的空间来布置传统测力天平，所以传统测压试验时往往只能得到测压试验结果而没有测力试验结果。本发明的高速风洞测力测压一体化试验方法，它基于传统测压模型和支撑系统设计安装简易的测力元件实现测力测压同时进行，因此其测压点数可以与传统测压试验保持一致，也不需要在更大尺寸的风洞中设计加工新的大尺寸模型，确保成本可控。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高速风洞测力测压一体化试验方法，其特征在于：采用应变片粘贴于测压支杆表面，利用测压支杆受力之后发生的形变来测量模型所受到的气动力，从而在保证测压数据量不减小的前提下实现测力和测压；为了确保测力结果的准确可靠，模型与支杆之间的连接方式采用过盈配合确保无松动，应变片的粘贴区域避开模型与支杆连接处附近的应力集中区；通过设计多裕度的测力桥路来保证测力结果的稳定度。

2.根据权利要求1所述的高速风洞测力测压一体化试验方法，其特征在于：利用测力结果对模型弹性角进行修正。

3.根据权利要求2所述的高速风洞测力测压一体化试验方法，其特征在于：采用标准砝码加载的方式进行模型弹性角修正：先通过标准砝码加载得到不同载荷下的弹性角，从而拟合得到弹性角随载荷变化的修正公式，进而可以根据风洞试验时的测力值反算弹性角大小。

4.根据权利要求1所述的高速风洞测力测压一体化试验方法，其特征在于：应变片尽可能靠近模型以减小支杆所受气动力导致的系统误差。

5.根据权利要求1所述的高速风洞测力测压一体化试验方法，其特征在于：多裕度的测力桥路包括两组，第一组测力桥路包括电阻R1-R12，电阻R1-R12分布在支杆的同一圆周上，第二组测力桥路包括电阻R13-R24，电阻R13-R24分布在支杆的同一圆周上；

其中R1-R4组成第一测力单元；R5-R8组成第二测力单元；R9-R12组成第三测力单元；R13-R16组成第四测力单元；R17-R20组成第五测力单元；R21-R24组成第六测力单元。

6.根据权利要求5所述的高速风洞测力测压一体化试验方法，其特征在于：在正式开始风洞试验之前，采用标准砝码挂载的方式来检验测力系统是否工作正常，如果砝码加载结果与标准砝码理论值误差大于千分之三，需要对整个测力系统进行排查并修复后才继续试验。

7.根据权利要求5或6所述的高速风洞测力测压一体化试验方法，其特征在于：试验方法进行两次或两次以上，两次或者多次重复性试验结果的均方根误差不超过力与力矩系数均方根误差上限值表中的值即可认为结果是有效的。

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