CN111504596B

CN111504596B - 一种铰链力矩天平

Info

Publication number: CN111504596B
Application number: CN202010263597.4A
Authority: CN
Inventors: 张逊; 李付华; 朱本华; 尹熹伟; 赵亮亮; 岳廷瑞; 薛伟; 郭兴华; 翁丽莎
Original assignee: Low Speed Aerodynamics Institute of China Aerodynamics Research and Development Center
Current assignee: Low Speed Aerodynamics Institute of China Aerodynamics Research and Development Center
Priority date: 2020-04-07
Filing date: 2020-04-07
Publication date: 2020-12-29
Anticipated expiration: 2040-04-07
Also published as: CN111504596A

Abstract

本发明公开了一种铰链力矩天平，包括与飞机部件模型采用一体化设计的天平框架以及两端通过测量单元与所述天平框架浮动连接的舵连接件，所述测量单元用于测量力或力矩，所述舵连接件用于与测量舵连接；所述天平框架上在力矩方向刚度较大的部位设有切缝，用于消除所述天平框架两端结构不对称导致的应变输出差异。上述铰链力矩天平能够有效解决安装空间狭小的问题，提高天平刚度，消除或减小在前后、上下两个测量方向上的差异。

Description

一种铰链力矩天平

技术领域

本发明涉及航空航天气动力或力矩测量技术领域，尤其涉及一种铰链力矩天平。

背景技术

铰链力矩是设计飞机操纵系统的重要依据。铰链力矩可通过理论计算和风洞试验两种方法获得。通常在风洞中进行飞机模型铰链力矩试验，直接测定舵面的铰链力矩。风洞试验中为了得到舵面弦向压心位置，通常需要测量法向力。如果关注舵面在展向的压心位置，还需要测量滚转力矩分量。当舵面角较大时，阻力将对法向力测量产生显著影响，这时需要增加测量阻力分量。

根据测量要求，铰链力矩天平一般设计成四分量、五分量或六分量等。如何确定天平分量，除了根据测量需求，还要根据天平结构而定。原则上不能通过结构彻底分解的分量都要测量，以通过电气分解得到更为精准的试验数据。例如，荷兰NLR曾研制出用于增压风洞铰链力矩试验的副翼天平，该结构型式天平结构紧凑，但一般只测量两到三个分量，其它未测分量对目标分量(FN，HM)干扰造成的误差>>1％。为提高测量精度，又布置了一台二分量天平测量作用在翼梢上的升力和弯矩，对目标分量(FN，HM)进行修正，修正后天平静态准度误差达到了3％。

发明内容

本发明提供一种铰链力矩天平，能够有效解决安装空间狭小的问题，提高天平刚度，消除或减小在前后、上下两个测量方向上的差异。

本发明采用的技术方案如下：

一种铰链力矩天平，包括与飞机部件模型采用一体化设计的天平框架以及两端通过测量单元与所述天平框架浮动连接的舵连接件，所述测量单元用于测量力或力矩，所述舵连接件用于与测量舵连接；所述天平框架上在力矩方向刚度较大的部位设有切缝，用于消除所述天平框架两端结构不对称导致的应变输出差异。

进一步地，所述测量单元为柱梁组，其中有若干柱梁上设有切槽，用于调整所述柱梁上的刚度分配。

进一步地，所述天平框架连接有盖板或做表面修型，用于适应翼型形状。

进一步地，所述舵连接件上设有凹陷部，用于与测量舵的连接。

进一步地，所述测量单元为粘贴有应变计的柱梁组，所述通过电桥组合形成法向力、铰链力矩、轴向力、俯仰力矩和滚转力矩五个分量的测量电信号。

进一步地，所述柱梁组采用三柱梁结构，包括中间梁和两个侧梁。

进一步地，所述切槽设于所述侧梁上。

进一步地，所述铰链力矩天平用于飞机模型舵面铰链力矩测量，中间梁用于测量轴向力和偏航力矩，侧梁用于测量法向力、铰链力矩和滚转力矩。

进一步地，所述测量单元包括距离所述切缝较远的第一测量单元和较近的第二测量单元，所述第一测量单元的两个侧梁上分别粘贴有电桥B1和B2，所述第二测量单元的两个侧梁上分别粘贴有电桥B3和B4，所述第一测量单元和第二测量单元的中间梁上分别粘贴有电桥B5和B6；其中，电桥B2和B4分别相较于电桥B1和B3更靠近所述测量舵。

进一步地，用于测量各分量的电桥组合如下：

用于测量法向力的电桥组合为B1+B2+B3+B4

用于测量轴向力的电桥组合为B5+B6

用于测量滚转力矩的电桥组合为B3+B4-B1-B2

用于测量俯仰力矩的电桥组合为B6-B5

用于测量铰链力矩的电桥组合为B2+B4-B1-B3。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、通过将天平和飞机部件模型设计成一个整体，该铰链力矩天平能够解决安装空间狭小的问题，提高天平刚度；

2、通过在力矩方向刚度较大的部位设置切缝，并控制切缝的位置、尺寸及数量等参数，能够解决由于天平两端(上下)结构不对称，测量单元受力后变形不一致导致应变输出差异较大的问题，有效消除或减小在前后、上下两个测量方向上的差异；

3、通过采用三柱梁结构的测量单元，在侧梁上局部切槽，能够有效改善刚度分配，改善轴向力和俯仰力矩分量的输出，同时保证应变计的粘贴工艺尺寸。

该铰链力矩天平适用于小尺寸飞机部件模型，能够实现法向力、铰链力矩、轴向力、俯仰力矩和滚转力矩五个分量的测量，具有精度高、干扰输出小、通用性好的特点。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1(a)是本发明的一些实施例中铰链力矩天平的主视图；

图1(b)是图1(a)中铰链力矩天平的立体图；

图2(a)是本发明的一些实施例中设有切缝的铰链力矩天平的主视图；

图2(b)是图2(a)中铰链力矩天平的立体图；

图2(c)是图2(a)中A处的局部放大图；

图2(d)是图2(b)中B处的局部放大图；

图3(a)是本发明的一些实施例中设有切缝和切槽的铰链力矩天平的主视图；

图3(b)是图3(a)中铰链力矩天平的立体图；

图3(c)是图3(a)中C处的局部放大图；

图3(d)是图3(b)中D处的局部放大图；

图4是法向力(FN)的重复性(重复5次)试验曲线；

图5是铰链力矩(HM)的重复性(重复5次)试验曲线。

其中：

1-天平框架，2-舵连接件，31-中间梁，32-侧梁，4-切缝，5-切槽。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。

在本发明的描述中，需要理解的是，指示方位或位置关系的术语为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的附图中，需要理解的是，不具有相互替代性的不同技术特征显示在同一附图，仅是为了便于简化附图说明及减少附图数量，而不是指示或暗示参照所述附图进行描述的实施例包含所述附图中的所有技术特征，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“飞机部件”是指其模型的待测量包括铰链力矩的飞行器部件，例如机翼、垂尾和平尾等部件；术语“测量舵”是指测量试验中待测量的飞机模型舵面，例如垂尾前方向舵、升降舵等。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1(a)和1(b)所示，在一些实施例中，一种铰链力矩天平，包括与飞机部件模型采用一体化设计的天平框架1以及两端通过测量单元与天平框架1浮动连接的舵连接件2，测量单元用于测量力或力矩，舵连接件2用于与测量舵连接。

在飞行器铰链力矩测量风洞试验中，常采用片式应变天平或杆式应变天平测量。在一些实施例中，铰链力矩天平为片式应变天平，测量单元为粘贴有应变计的柱梁组，在至少一个实施例中，柱梁组采用三柱梁结构，包括中间梁31和两个侧梁32。

在飞机部件模型较小时，可能会由于安装空间狭小，导致常规的铰链力矩天平只能测量两个或三个分量。例如，在某型飞机铰链力矩试验中，试验要求能够同时测量垂尾前后舵面的铰链力矩，要实现更多分量的测量是很难的，主要存在以下技术困难：A.天平布置困难，在弦向不足200mm的垂尾上串联布置2台天平，很难实现；B.天平刚度差，去掉支撑连接和盖板占用的模型尺寸，天平可用空间很小，在厚度方向表现最为明显。常规五分量方案设计的铰链力矩天平，由于安装空间狭小，导致结构上难以实现，很难满足测量要求。

然而，在一些实施例中，本发明的铰链力矩天平对于垂尾方向舵的铰链力矩测量，能够通过电桥组合形成法向力、铰链力矩、轴向力、俯仰力矩和滚转力矩五个分量的测量电信号；其中，中间梁31用于测量轴向力和偏航力矩，侧梁32用于测量法向力、铰链力矩和滚转力矩。

在至少一个实施例中，测量单元包括偏垂尾上部的第一测量单元和偏垂尾下部的第二测量单元，第一测量单元的两个侧梁32上分别粘贴有电桥B1和B2，第二测量单元的两个侧梁32上分别粘贴有电桥B3和B4，第一测量单元和第二测量单元的中间梁31上分别粘贴有电桥B5和B6；其中，电桥B2和B4分别相较于电桥B1和B3更靠近测量舵。

用于测量各分量的电桥组合如下：

用于测量法向力的电桥组合为B1+B2+B3+B4

用于测量轴向力的电桥组合为B5+B6

用于测量滚转力矩的电桥组合为B3+B4-B1-B2

用于测量俯仰力矩的电桥组合为B6-B5

用于测量铰链力矩的电桥组合为B2+B4-B1-B3。

在上述实施例中，通过将天平和飞机设计成一个整体，该铰链力矩天平能够解决安装空间狭小的问题，提高天平刚度。

对于垂尾方向舵的铰链力矩的测量，由于铰链力矩力臂较短，而俯仰力矩力臂相对较长，易导致铰链力矩载荷较大，而俯仰力矩载荷较小，天平载荷上不匹配的问题。为解决这一技术问题，如图2(a)、2(b)、2(c)和2(d)所示所示，在一些实施例中，天平框架1上在力矩方向刚度较大的部位还设有切缝4，即在靠近第二测量单元那一侧设置切缝4，用于消除天平框架1两端结构不对称导致的应变输出差异。通过在力矩方向刚度较大的部位设置切缝4，并控制切缝4的位置、尺寸及数量等参数，能够解决由于天平上下结构不对称，测量单元受力后变形不一致，导致上下测量元件在受力时应变输出不一致、分量之间干扰大的问题。

为改善轴向力和俯仰力矩分量的输出，在一些实施例中，通过适当地减小侧梁的尺寸来实现，在至少一个实施例中，还优先采用测量剪应变的方式对各分量进行测量。在另外的一些实施例中，如图3(a)、3(b)、3(c)和3(d)所示所示，在若干柱梁上设有切槽5，用于调整柱梁上的刚度分配，在至少一个实施例中，上述切槽5设于侧梁32上，能够有效改善刚度分配，消除或减小在前后、上下两个测量方向上的差异，同时避免柱梁尺寸过小时应变计粘贴工艺性差的问题。

在一些实施例中，天平框架1连接有盖板或有做表面修型，用于适应翼型形状。

在一些实施例中，舵连接件2上设有凹陷部，用于与测量舵的连接。

现结合附图提供至少一个示例性实施例，附图中提供的示例性实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，仅仅表示本发明中提供的示例性实施例而已。

示例性实施例1

如图1(a)和1(b)所示，一种铰链力矩天平，用于垂尾前方向舵的铰链力矩测量，包括与垂尾采用一体化设计的天平框架1以及两端分别通过第一测量单元和第二测量单元与天平框架1连接的舵连接件2。第一测量单元设于偏垂尾上部的位置，第二测量设于偏垂尾下部的位置。天平框架1连接有盖板，用于遮盖铰链力矩天平，适应翼型形状。舵连接件2上设有凹陷部，用于与测量舵的安装连接。第一测量单元和第二测量单元均采用三柱梁结构，包括中间梁31和两个侧梁32，三根柱梁均为测量梁。测量梁上粘贴有应变计，通过电桥组合形成法向力、铰链力矩、轴向力、俯仰力矩和滚转力矩五个分量的测量电信号。上述五个分量的设计量程分别为120N、8N·m、60N、3N·m和5N·m。

第一和第二测量单元的中间梁31用于测量轴向力和偏航力矩，侧梁32用于测量法向力、铰链力矩和滚转力矩。第一测量单元的两个侧梁32上分别粘贴有电桥B1和B2，第二测量单元的两个侧梁32上分别粘贴有电桥B3和B4，第一测量单元和第二测量单元的中间梁31上分别粘贴有电桥B5和B6；其中，电桥B2和B4分别相较于电桥B1和B3更靠近测量舵。

用于测量各分量的电桥组合如下：

用于测量法向力的电桥组合为B1+B2+B3+B4

用于测量轴向力的电桥组合为B5+B6

用于测量滚转力矩的电桥组合为B3+B4-B1-B2

用于测量俯仰力矩的电桥组合为B6-B5

用于测量铰链力矩的电桥组合为B2+B4-B1-B3。

基于有限元分析，对上述铰链力矩天平进行数值模拟，得出干扰输出的计算结果，如表1所示。

表1示例性实施例1中干扰输出的计算结果表(×10^-6)

可以看出，该铰链力矩天平能够测量法向力、铰链力矩、轴向力、俯仰力矩和滚转力矩五个分量，但俯仰力矩受到的干扰总量达到了77％，同时轴向力和俯仰力矩输出也较小。

示例性实施例2：

示例性实施例1中，由于将天平框架1与垂尾设计成一个整体，使得天平上下结构不对称，因而导致第一测量单元和第二测量单元在受力后变化不一致，最终导致应变输出存在较大差异，并产生分量之间干扰大的问题。本示例性实施例中，在第二测量单元的下方设置切缝4，如图2(a)、2(b)、2(c)和2(d)所示，通过控制或调整切缝4的位置、尺寸和数量等参数，能够使第一测量单元和第二测量单元的输出趋于一致；其余与示例性实施例1相同。

基于有限元分析，对上述铰链力矩天平进行数值模拟，得出干扰输出的计算结果，如表2所示。

表2示例性实施例2中干扰输出的计算结果表(×10^-6)

与示例性实施例1相比，俯仰力矩分量干扰从之前的77％降低到16.5％。但是，轴向力和俯仰力矩的应变输出依然较低，分别为68.1和21.3，单位为×10^-6。

示例性实施例3：

为了改善轴向力和俯仰力矩分量的输出，本示例性实施例中，进一步地在侧梁32上设置局部切槽5，如图3(a)、3(b)、3(c)和3(d)所示，从而可以很好地改变刚度分配，并且也能保证应变计的粘贴工艺尺寸；其余与示例性实施例2相同。

(一)数值模拟结果

基于有限元分析，对上述铰链力矩天平进行数值模拟，得出干扰输出的计算结果，如表3所示。

表3实施例3中干扰输出的计算结果表(×10^-6)

与示例性实施例1相比，轴向力的应变输出从68.1增加到210，俯仰力矩的应变输出从21.3增加到53，单位为×10^-6，同时俯仰力矩受到的干扰总量从77％降低至10％。

(二)天平校准

上述铰链力矩天平在BCL-5K六分量地轴系天平校准架上采用单元校的方法校准，主要技术指标如下：

加载量程(法向力)：500N-5000N；

加载准度：优于0.05％。

校准结果如表4所示，各项指标满足《风洞应变天平规范》(GJB2244A-2011)规定的合格要求。

表4示例性实施例3中静态校准结果表

(三)带舵面检验加载

与常规天平相比较，铰链力矩天平由于受到其安装空间限制，其框体刚度通常较弱，以至于天平的灵敏度输出容易受到外界附加刚度的影响。为检验天平的可靠性，除了正常静态校准以外，在正式风洞试验之前，还将舵面模型安装在天平上，通过舵面给天平施加检验加载，以及时发现可能存在的问题。

上述铰链力矩天平的天平框架1设置在垂尾安定面上，安定面固连有支座，舵连接件2通过角度块与测量舵的舵面连接。在舵面上选择一适当位置作为施力点，在重力方向通过尼龙绳悬吊砝码施加载荷。根据检验加载采集的电压信号和静态校准得到的天平公式，计算得到检验加载结果如表5、表6所示。

表5法向力检验加载结果(同一加载位置)

表6轴向力检验加载结果(同一加载位置)

法向力加载相对误差在0.2％以内，滚转力矩方向力臂最大偏差0.02mm，铰链力矩方向力臂最大偏差0.03mm；轴向力加载相对误差1.5％以内，俯仰力矩方向力臂最大偏差0.05mm。

(四)风洞实验

某型飞机铰链力矩试验在8m×6m风洞中圆满完成。图4和图5给出了法向力(FN)和铰链力矩(HM)的重复性(重复5次)试验曲线。其中，横坐标为飞机模型迎角α，纵坐标分别为法向力系数C_N和铰链力矩系数C_h。

通过上述数值模拟、静态校准、带舵面检验加载和风洞实验的结果，可以得知本示例性实施例中的铰链力矩天平具有以下优点：

1)整体结构上灵活紧凑，具有双支撑式结构，能够解决安装空间狭小的问题；

2)通过将天平框架1与垂尾一体化设计，可以有效利用垂尾的空间尺寸，提高天平的总体刚度，避免在天平框架1刚度不足的情况下天平灵敏度受到附加连接刚度的影响；

3)通过在力矩方向刚度较大的部位设置切缝4，可实现天平框架1刚度的调整，上下测量元件应变输出趋于一致，有效改善天平应变分布，降低各分量之间的干扰；

4)通过在侧梁32上开槽，能够改善轴向力和俯仰力矩分量的输出和降低分量间干扰。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims

1.一种铰链力矩天平，其特征在于：包括与飞机部件模型采用一体化设计的天平框架以及两端通过测量单元与所述天平框架浮动连接的舵连接件，所述测量单元用于测量力或力矩，所述舵连接件用于与测量舵连接；所述天平框架上在力矩方向刚度较大的部位设有切缝，用于消除所述天平框架两端结构不对称导致的应变输出差异。

2.根据权利要求1所述的铰链力矩天平，其特征在于：所述测量单元为柱梁组，其中有若干柱梁上设有切槽，用于调整所述柱梁上的刚度分配。

3.根据权利要求1或2所述的铰链力矩天平，其特征在于：所述天平框架连接有盖板或做表面修型，用于适应翼型形状。

4.根据权利要求1或2所述的铰链力矩天平，其特征在于：所述舵连接件上设有凹陷部，用于与测量舵的连接。

5.根据权利要求1或2所述的铰链力矩天平，其特征在于：所述测量单元为粘贴有应变计的柱梁组，通过电桥组合形成法向力、铰链力矩、轴向力、俯仰力矩和滚转力矩五个分量的测量电信号。

6.根据权利要求2所述的铰链力矩天平，其特征在于：所述柱梁组采用三柱梁结构，包括中间梁和两个侧梁。

7.根据权利要求6所述的铰链力矩天平，其特征在于：所述切槽设于所述侧梁上。

8.根据权利要求6所述的铰链力矩天平，其特征在于：所述铰链力矩天平用于飞机模型舵面铰链力矩测量，中间梁用于测量轴向力和偏航力矩，侧梁用于测量法向力、铰链力矩和滚转力矩。

9.根据权利要求6所述的铰链力矩天平，其特征在于：所述测量单元包括距离所述切缝较远的第一测量单元和较近的第二测量单元，所述第一测量单元的两个侧梁上分别粘贴有电桥B1和B2，所述第二测量单元的两个侧梁上分别粘贴有电桥B3和B4，所述第一测量单元和第二测量单元的中间梁上分别粘贴有电桥B5和B6；其中，电桥B2和B4分别相较于电桥B1和B3更靠近所述测量舵。

10.根据权利要求9所述的铰链力矩天平，其特征在于，用于测量各分量的电桥组合如下：

用于测量法向力的电桥组合为B1+B2+B3+B4；

用于测量轴向力的电桥组合为B5+B6；

用于测量滚转力矩的电桥组合为B3+B4-B1-B2；

用于测量俯仰力矩的电桥组合为B6-B5；

用于测量铰链力矩的电桥组合为B2+B4-B1-B3。