CN110207941B - 应用于亚跨超声速风洞的双天平共同支撑测力装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于亚跨超声速风洞的双天平共同支撑测力装置及方法，解决了双天平系统固有的过约束及加工、装配误差而导致的系统内应力过大问题，可有效提高测量精度。本发明的双天平测力装置包括：第一天平‑支撑装置、第二天平‑支撑装置、紧固装置和双支撑尾段；所述第一天平‑支撑装置和第二天平‑支撑装置分别通过紧固装置与双支撑尾段紧固连接，组成双天平共同支撑测力装置整体；所述第一天平‑支撑装置、第二天平‑支撑装置可分别与双支撑尾段之间实现沿轴向、法向及侧向相对位置微调。采用分别对单支天平实施校准，双天平组合测量及数据合成的方法，实现气动载荷精确测量。本发明装置简单，操作方便，可扩展为多天平共同支撑测量技术。

Description

应用于亚跨超声速风洞的双天平共同支撑测力装置及方法

技术领域

本发明涉及一种风洞测力装置及方法，尤其涉及一种应用于亚跨超声速风洞的双天平共同支撑测力装置及方法，属于试验空气动力学测量技术领域。

背景技术

目前，亚跨超声速风洞测力试验多以单个天平尾支撑或者腹/背支撑的方式进行。该种支撑方式的特点是气动载荷传递路径单一，测量误差小。随着航空航天技术的不断发展，新型布局飞机、箭弹等型号的研制层出不穷，传统的单天平支撑测量方式已经无法满足某些型号的高精度测力需求。如，民机测力试验，常规尾支撑、腹/背支撑方式对阻力及俯仰力矩的测量精度影响较大，支撑干扰修正困难；再如，双机身飞机等新布局飞行器测力试验，传统的单天平支撑方式存在非对称支撑导致的测量载荷严重不匹配、天平测量载荷容量受限以及单侧支撑干扰无法消除等问题。因此，需发展双天平共同支撑等测量方式以满足试验需求。

常见的双天平共同支撑测力方式主要有两种。一是双天平支撑整体校准、组合测力：双天平支撑一体校准，通过相应电桥合成的方式形成整体式天平公式，进行风洞试验，实现模型气动载荷测量；二是双天平分别单独校准后组合测力：分别对两支天平校准，然后组成测量整体进行风洞试验，通过合成单支天平的测量载荷实现模型气动载荷测量。方法一对校准架的校准能力要求较高，校准精度受限；另外，为保证支撑测量系统在过约束状态下内应力不变，该方法要求校准系统和试验系统保持一致，即双天平系统校准完成后不能再次拆装，通用性较差。方法二的主要问题是模型、双天平支撑系统组装后处于过约束状态，若存在加工、装配误差，则会使系统装配应力过大，一方面导致其整体刚度变化，使测量偏离真实状态；另一方面，天平内应力过大会导致灵敏度改变，致使测量失真甚至试验失败。上述问题限制了双天平共同支撑测力技术的发展及测量精度的进一步提高。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对现有双天平共同支撑测力装置装配应力较大、测量精度差的问题，设计了一种可实现双天平间位姿微调的新型双天平共同支撑测力装置及方法。

本发明的技术解决方案是：应用于亚跨超声速风洞的双天平共同支撑测力装置，包括：第一天平-支撑装置、第二天平-支撑装置、紧固装置和双支撑尾段；

所述第一天平-支撑装置和第二天平-支撑装置分别通过紧固装置紧固连接在双支撑尾段的两侧，所述的双支撑尾段用于与风洞支架固定连接；通过微调所述第一天平-支撑装置与双支撑尾段之间沿轴向和法向的相对位置、第二天平-支撑装置与双支撑尾段之间沿轴向和侧向的相对位置，消除双天平的装配应力。

优选的，所述第一天平-支撑装置和第二天平-支撑装置结构相同，均包括天平、支杆、连接方块和螺母；

所述支杆从前至后依次为支撑段、等直段和螺纹段，支撑段的前端用于安装天平，等直段上安装有键，所述的等直段与连接方块之间柱面配合连接，并通过安装在螺纹段的螺母紧固；通过更换安装在等直段上的键实现天平滚转姿态的微调。

优选的，所述的紧固装置包括带连接法兰的楔形块和拉紧螺栓；所述的楔形块一侧为平面，另一侧为楔形斜面，通过楔形块胀紧的方式实现天平-支撑装置与双支撑尾段之间的紧固连接。

优选的，所述的楔形斜面和平面之间夹角为5°～8°。

优选的，所述的楔形块为八个，其中四个相对第二天平-支撑装置侧向对称布置，另外四个相对第一天平-支撑装置法向对称布置。

优选的，所述双支撑尾段包括锥形接头、第一尾撑和第二尾撑，所述第一尾撑开有方形孔，方形孔的上、下表面为“V”型斜面，左、右表面为平面，所述第二尾撑开有方形孔，方形孔的上、下表面为平面，左、右表面为“V”型斜面，所述第一尾撑和第二尾撑的前后端面还设置有螺纹孔。

优选的，所述楔形块的楔形角度与双支撑尾段的“V”型斜面角度相同，楔形块用于紧固连接时，其楔形斜面与双支撑尾段的“V”型斜面接触配合，楔形平面与第一连接方块、第二连接方块的平面接触配合；

所述第一天平-支撑装置通过第一连接方块安装于双支撑尾段的第一尾撑，并通过法向对称布置的四个楔形块胀紧连接，对拉紧螺栓施加不同的预紧力，可实现第一连接方块与第一尾撑之间的法向位置微调；

所述第二天平-支撑装置通过第二连接方块安装于双支撑尾段的第二尾撑，并通过侧向对称布置的四个楔形块胀紧连接，对拉紧螺栓施加不同的预紧力，可实现第二连接方块与第二尾撑之间的侧向位置微调。

优选的，所述法向、侧向的可微调位移为1～3mm。

应用于亚跨超声速风洞的双天平共同支撑测力方法，包括如下步骤：

步骤(一)：分别对单支天平实施静态校准；

步骤(二)：组装所述双天平共同支撑测力装置，获得所述装置的弹性角校准公式，并分别获得单支天平的安装滚转角；

步骤(三)：组装风洞试验模型，调节并消除双天平共同支撑测力装置的装配应力；

步骤(四)：实施风洞试验，分别获得双天平的体轴系载荷，通过双天平坐标系合成得到模型载荷，结束。

优选的，所述步骤(二)中，单独校准任意一个天平-支撑装置得到单天平系统弹性角公式，将其所有系数除以2，即获得双天平共同支撑测力装置的弹性角公式。

优选的，所述步骤(二)中，分别对单个天平前端挂载标准砝码，多次测量取平均值，即分别获得单支天平的安装滚转角。

优选的，所述步骤(三)中，微调天平-支撑装置与双支撑尾段之间法向、和或侧向、和或轴向相对位移，至扣除模型重量后双天平零点与空载零点相同，即认为模型安装后双天平系统无装配应力。

本发明与现有技术相比有益效果为：

双天平共同支撑测力装置由于其固有的过约束问题，风洞试验时存在装配应力过大而导致系统刚度变化、天平灵敏度改变，进而致使测量失真甚至试验失败的问题。针对此类问题，现有的解决方法主要依靠提高各结构部件的加工精度并减小装配误差，但均无法达到满意的测量效果。本发明另辟蹊径，通过在双支撑尾端设置可微调双天平之间相对位移的结构，并将各方向的位姿微调功能合理分配至两个支撑上，彻底解决了由于双天平支撑系统固有的过约束及加工、装配误差而导致的系统内应力过大的问题，提高了单支天平的测量精度以及双天平合成测量精度，实现了利用双天平支撑系统的气动载荷精确测量。本发明装置简单，操作方便，可扩展为多天平共同支撑测量技术。具体如下：

(1)本发明提供的应用于亚跨超声速风洞的双天平共同支撑测力装置及方法，有效解决了双天平共同支撑测力系统的装配内应力问题，使单支天平处于自由应力状态，有利于提高单支天平的测量精度以及双天平合成测量精度，可实现模型气动载荷的精确测量。

(2)本发明提供的应用于亚跨超声速风洞的双天平共同支撑测力装置及方法，装置各部件简单，加工成本低，安装操作方便，测量通用性强。

(3)本发明提供的应用于亚跨超声速风洞的双天平共同支撑测力装置及方法，提供了一种通用的测力装置及测量方法，可扩展为多天平共同支撑测量风洞试验技术，也可应用于不同支撑方式的测力试验。

附图说明

图1为本发明的应用于亚跨超声速风洞的双天平共同支撑测力装置示意图；

图2为本发明的第一支杆示意图；

图3为本发明的第一连接方块示意图；

图4为本发明的楔形块示意图；

图5为本发明的双支撑尾段示意图；

图6为本发明的装配连接剖视图；

图7为图6沿A-A向的剖视图；

图8为本发明的应用于亚跨超声速风洞的双天平共同支撑测力方法示意图；

图9为本发明的双天平坐标系示意图。

具体实施方式

下面结合附图1-9，对本发明的具体实施方式作详细描述。

本发明公开了一种应用于亚跨超声速风洞的双天平共同支撑测力装置及方法，解决了双天平支撑系统固有的过约束及加工、装配误差而导致的系统内应力过大的问题，可有效提高测量精度。具体的指，提供一种应用于亚跨超声速风洞的双天平共同支撑测力装置，如图1所示，包括第一天平-支撑装置、第二天平-支撑装置、紧固装置和双支撑尾段9。

第一天平-支撑装置和第二天平-支撑装置分别通过紧固装置与双支撑尾段9紧固连接，组成双天平共同支撑测力装置整体；第一天平-支撑装置与双支撑尾段9之间可实现沿轴向和法向的相对位置微调，第二天平-支撑装置与双支撑尾段9之间可实现沿轴向和侧向的相对位置微调，通过双天平-支撑装置间各个方向的相对位姿微调，可消除双天平系统的装配应力。

如图1、图6和图7所示，第一天平-支撑装置包括第一天平1、第一支杆3、第一连接方块5和第一螺母7；第二天平-支撑装置包括第二天平2、第二支杆4、第二连接方块6和第二螺母8。

本实施例中，第二天平-支撑装置的各部件与第一天平-支撑装置的对应部件具有相同的尺寸和连接方式，因此，本实施例只详细介绍第一天平-支撑装置的组成及连接。如图2所示，第一支杆3的支撑段301前端开有圆锥孔302，后端设置有等直段303，等直段303后端设置有螺纹段305；如图3所示，第一连接方块5为长方体结构，其上开有圆柱孔503。第一天平1通过圆锥孔302与第一支杆3紧固连接，第一连接方块5通过圆柱孔503安装于第一支杆3的等直段303上，形成柱面配合，并通过第一螺母7紧固，组成第一天平-支撑装置整体。第一支杆3上还设置有键304，用于第一支杆3与第一连接方块5之间的滚转姿态定位和微调。

双支撑尾段9，如图5所示，包括锥形接头901、第一尾撑902和第二尾撑903，第一尾撑902上开有方形孔904，方形孔904的上、下表面为“V”型斜面，左、右表面为平面，所述第二尾撑903开有方形孔905，方形孔905的上、下表面为平面，左、右表面为“V”型斜面，第一尾撑902和第二尾撑903的前后端面还设置有螺纹孔906。

本实施例中，紧固装置包括八个相同的楔形块10和十六个相同的拉紧螺栓11。如图4所示，每个楔形块10上设置有两个螺栓孔101，用于拉紧螺栓穿过，楔形块10的楔形斜面102和平面103之间夹角，即楔形角为5°～8°。结合图6、图7，第一尾撑902方形孔904的上、下“V”型斜面上各布置有两个楔形块10，第二尾撑903方形孔905的左、右“V”型斜面上各布置有两个楔形块10，楔形块10的楔形角度与“V”型斜面角度相同，楔形块10用于紧固连接时，其楔形斜面102与双支撑尾段9的“V”型斜面接触配合，楔形平面103与第一连接方块5、第二连接方块6的平面接触配合。

本实施例中，优选的，楔形块10的楔形角度和双支撑尾段9的“V”型斜面角度均为8°。

上述设计可实现第一天平-支撑装置和第二天平-支撑装置之间的相对位置微调，更具体的，可分为法向、侧向和轴向相对位置微调：

第一天平-支撑装置与双支撑尾段9之间可实现法向相对位置微调，结合图7，第一天平-支撑装置通过第一连接方块5安装于双支撑尾段9的第一尾撑902上，并由上、下布置的4个楔形块10胀紧连接，对拉紧螺栓11施加不同的预紧力，可实现第一连接方块5与第一尾撑902之间的法向位置微调，天平-支撑装置与双支撑尾段9之间法向可微调位移为1～3mm。

第二天平-支撑装置与双支撑尾段9之间可实现侧向相对位置微调，结合图6，第二天平-支撑装置通过第二连接方块6安装于双支撑尾段9的第二尾撑903上，并通过左、右布置的4个楔形块10胀紧连接，对拉紧螺栓11施加不同的预紧力，可实现第二连接方块6与第二尾撑903之间的侧向位置微调，天平-支撑装置与双支撑尾段9之间侧向可微调位移为1～3mm。

结合图6、图7，第一天平-支撑装置和第二天平-支撑装置在紧固前可沿双支撑尾段9轴向自由移动，因此，均能实现轴向相对位置微调。

本实施例中，优选的，第一天平-支撑装置、第二天平-支撑装置与双支撑尾段9之间法向、侧向的可微调位移均为2mm。

在上述装置实施例的基础上，本发明还公开了一种应用于亚跨超声速风洞的双天平共同支撑测力方法，图8所示为方法流程图，图9为双天平坐标系及模型坐标系定义示意图，本实施例中，方法步骤包括：

步骤一：分别对单支天平实施静态校准，校准方法与常规单天平校准方法相同，天平工作公式由式(1)给出：

式(1)中，F_i、F_j、F_l为施加的六分量载荷，F_0i为截距，ΔV_i为电压输出，

为校准系数。

步骤二：组装双天平共同支撑测力装置；获得装置的弹性角校准公式：单独校准任意一个天平-支撑装置得到单天平系统弹性角公式，将其所有系数除以2，即获得双天平共同支撑测力装置的弹性角公式；分别获得单支天平的安装滚转角：对单个天平前端挂载标准砝码，多次测量取平均值，滚转角按

给出，分别记为

和

其中，Y为天平挂载测得的法向力，Z为天平挂载测得的侧向力。

步骤三：组装风洞试验模型，调节并消除双天平共同支撑测力装置的装配应力：本实施例中，微调天平-支撑装置与双支撑尾段9之间相对位移，至扣除模型重量后双天平零点与空载零点相同，即可认为模型安装后双天平共同支撑测力装置无装配应力。

步骤四：实施风洞试验，获得双天平的体轴系载荷：分别记为F_0t1[Y_t1,Z_t1,X_t1,MY_t1,MZ_t1,MX_t1]以及F_0t2[Y_t2,Z_t2,X_t2,MY_t2,MZ_t2,MX_t2]，其中，Y_t1、Y_t2为法向力，Z_t1、Z_t2为侧向力，X_t1、X_t2为轴向力，MY_t1、MY_t2为偏航力矩，MZ_t1、MZ_t2为俯仰力矩，MX_t1、MX_t2为滚转力矩。

步骤五：分别获得双天平坐标系O₁-X₁Y₁Z₁和O₂-X₂Y₂Z₂下的载荷：坐标系定义如图9所示，由于加工及安装误差，双天平安装完成后安装滚转角与校准时存在差异，须将天平体轴系载荷F_0t1和F_0t2通过式(2)分别转换至双天平坐标系O₁-X₁Y₁Z₁和O₂-X₂Y₂Z₂下，得到F₀₁[Y₁,Z₁,X₁,MY₁,MZ₁,MX₁]以及F₀₂[Y₂,Z₂,X₂,MY₂,MZ₂,MX₂]，其中，Y₁、Y₂为法向力，Z₁、Z₂为侧向力，X₁、X₂为轴向力，MY₁、MY₂为偏航力矩，MZ₁、MZ₂为俯仰力矩，MX₁、MX₂为滚转力矩。

步骤六：获得模型载荷：本实施例中，忽略两天平校准中心与合成坐标系中心的轴向差别，对两天平载荷合成，由式(3)可得到合成坐标系O-XYZ下的载荷F₀[Y,Z,X,MY,MZ,MX]，其中，Y为法向力，Z为侧向力，X为轴向力，MY为偏航力矩，MZ为俯仰力矩，MX为滚转力矩，L为双天平轴线之间的距离。即获得试验时模型的气动载荷，结束。

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。上述实施方式是示例性的，在权利要求书所涉及的范围内，本发明可扩展到任何在本说明书中所披露的特种和任何新的组合，其亦属于本发明的技术范畴本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (11)

1.应用于亚跨超声速风洞的双天平共同支撑测力装置，其特征在于，包括：第一天平-支撑装置、第二天平-支撑装置、紧固装置和双支撑尾段；

所述第一天平-支撑装置和第二天平-支撑装置分别通过紧固装置紧固连接在双支撑尾段的两侧，所述的双支撑尾段用于与风洞支架固定连接；通过微调所述第一天平-支撑装置与双支撑尾段之间沿轴向和法向的相对位置、第二天平-支撑装置与双支撑尾段之间沿轴向和侧向的相对位置，消除双天平的装配应力；

所述第一天平-支撑装置和第二天平-支撑装置结构相同，均包括天平、支杆、连接方块和螺母；

所述支杆从前至后依次为支撑段、等直段和螺纹段，支撑段的前端用于安装天平，等直段上安装有键，所述的等直段与连接方块之间柱面配合连接，并通过安装在螺纹段的螺母紧固；通过更换安装在等直段上的键实现天平滚转姿态的微调。

2.如权利要求1所述的应用于亚跨超声速风洞的双天平共同支撑测力装置，其特征在于，所述的紧固装置包括带连接法兰的楔形块和拉紧螺栓；所述的楔形块一侧为平面，另一侧为楔形斜面，通过楔形块胀紧的方式实现天平-支撑装置与双支撑尾段之间的紧固连接。

3.如权利要求2所述的应用于亚跨超声速风洞的双天平共同支撑测力装置，其特征在于，所述的楔形斜面和平面之间夹角为5°～8°。

4.如权利要求2所述的应用于亚跨超声速风洞的双天平共同支撑测力装置，其特征在于，所述的楔形块为八个，其中四个相对第二天平-支撑装置侧向对称布置，另外四个相对第一天平-支撑装置法向对称布置。

5.如权利要求2所述的应用于亚跨超声速风洞的双天平共同支撑测力装置，其特征在于，所述双支撑尾段包括锥形接头、第一尾撑和第二尾撑，所述第一尾撑开有方形孔，方形孔的上、下表面为“V”型斜面，左、右表面为平面，所述第二尾撑开有方形孔，方形孔的上、下表面为平面，左、右表面为“V”型斜面，所述第一尾撑和第二尾撑的前后端面还设置有螺纹孔。

6.如权利要求5所述的应用于亚跨超声速风洞的双天平共同支撑测力装置，其特征在于，所述楔形块的楔形角度与双支撑尾段的“V”型斜面角度相同，楔形块用于紧固连接时，其楔形斜面与双支撑尾段的“V”型斜面接触配合，楔形平面与第一连接方块、第二连接方块的平面接触配合；

所述第一天平-支撑装置通过第一连接方块安装于双支撑尾段的第一尾撑，并通过法向对称布置的四个楔形块胀紧连接，对拉紧螺栓施加不同的预紧力，可实现第一连接方块与第一尾撑之间的法向位置微调；

所述第二天平-支撑装置通过第二连接方块安装于双支撑尾段的第二尾撑，并通过侧向对称布置的四个楔形块胀紧连接，对拉紧螺栓施加不同的预紧力，可实现第二连接方块与第二尾撑之间的侧向位置微调。

7.如权利要求6所述的应用于亚跨超声速风洞的双天平共同支撑测力装置，其特征在于，所述法向、侧向的可微调位移为1～3mm。

8.应用于亚跨超声速风洞的双天平共同支撑测力方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤(一)：分别对单支天平实施静态校准；

步骤(二)：组装权利要求1所述双天平共同支撑测力装置，获得所述装置的弹性角校准公式，并分别获得单支天平的安装滚转角；

步骤(三)：组装风洞试验模型，调节并消除双天平共同支撑测力装置的装配应力；

步骤(四)：实施风洞试验，分别获得双天平的体轴系载荷，通过双天平坐标系合成得到模型载荷，结束。

9.如权利要求8所述的应用于亚跨超声速风洞的双天平共同支撑测力方法，其特征在于，所述步骤(二)中，单独校准任意一个天平-支撑装置得到单天平系统弹性角公式，将其所有系数除以2，即获得双天平共同支撑测力装置的弹性角公式。

10.如权利要求8所述的应用于亚跨超声速风洞的双天平共同支撑测力方法，其特征在于，所述步骤(二)中，分别对单个天平前端挂载标准砝码，多次测量取平均值，即分别获得单支天平的安装滚转角。

11.如权利要求8所述的应用于亚跨超声速风洞的双天平共同支撑测力方法，其特征在于，所述步骤(三)中，微调天平-支撑装置与双支撑尾段之间法向、和或侧向、和或轴向相对位移，至扣除模型重量后双天平零点与空载零点相同，即认为模型安装后双天平系统无装配应力。

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