CN111896216B - 一种风洞半模天平 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及风洞气动试验技术领域，公开了一种风洞半模天平，由自由端、测量段、固定端三部分组成；采用一个测量段，在测量段中设置三组测量梁实现了滚转力矩Mx和轴向力X、法向力Y及偏航力矩My、俯仰力矩Mz等五个分量气动力载荷的同时测量，缩短了半模天平的轴向尺寸，提高了半模天平的整体刚度；测量梁及支撑梁关于天平轴线呈中心对称分布，使各分量均有合理的输出灵敏度，减小了各分量之间的干扰；同时降低了测量梁及支撑梁与固定端及自由端连接处的应力，改善了天平的受载后的应力分布状态，提高了半模天平的整体强度，满足风洞试验的要求，实现了在高速风洞中利用半模支撑系统进行风洞测力试验时飞行器模型承受的气动载荷的精确测量。

Description

一种风洞半模天平
技术领域
本发明涉及风洞气动试验技术领域，具体涉及一种风洞半模天平。
背景技术
目前，半模天平采用多段测量元件串联结构，将作用在模型上的空气动力载荷(力和力矩)进行机械解耦，实现滚转力矩Mx、轴向力X、法向力Y、偏航力矩My和俯仰力矩Mz等五个分量气动力载荷(风洞轴系)的同时测量，各测量段对各自测量分量载荷敏感，产生相对明显的变形，而对其它分量的载荷不敏感，不产生或尽量产生尽量小的变形，实现结构上对力和力矩的机械分解或部分机械分解；再通过应变计的粘贴位置与全桥电路的设置，使其它分量的载荷所产生的应变不改变电桥的平衡状态，实现力与力矩的电气分解。
采用多段测量元件串联结构的半模天平存在天平整体长度尺寸长，刚度相对较弱，测量精准度相对较低的缺陷。
发明内容
基于以上问题，本发明提供一种风洞半模天平，采用一个测量段，在测量段中设置三组测量梁实现了滚转力矩Mx和轴向力X、法向力Y及偏航力矩My、俯仰力矩Mz等五个分量气动力载荷的同时测量，缩短了半模天平的轴向尺寸，提高了半模天平的整体刚度；在测量段中设置不同厚度的三组测量梁及等厚度的支撑梁(测量段中除测量梁外的所有梁)，测量梁及支撑梁关于天平轴线呈中心对称分布，使各分量均有合理的输出灵敏度，减小了各分量之间的干扰；同时降低了测量梁及支撑梁与固定端及自由端连接处的应力，改善了天平的受载后的应力分布状态，提高了半模天平的整体强度，满足风洞试验的要求，实现了在高速风洞中利用半模支撑系统进行风洞测力试验时飞行器模型承受的气动载荷的精确测量。
为实现上述技术效果，本发明采用的技术方案是：
一种风洞半模天平，包括同轴依次连接的固定端、测量段和自由端，固定端与风洞半模机构固定连接，自由端与风洞试验模型连接；测量段数量为一个，包括设置于固定端与自由端之间的测量元件和支撑梁；测量元件包括测量梁一、测量梁二和测量梁三，测量梁一包括均与竖直方向平行的测量片一和测量片二，测量梁二包括均与竖直方向平行的测量片三和测量片四，测量梁三包括均与竖直方向平行的测量片五和测量片六；测量片一和测量片二的上下表面中间位置对称贴设共计八个应变计，并连接成惠斯通全桥电路；测量片三和测量片四的上下表面两端位置对称贴设共计八个应变计，并连接成惠斯通全桥电路；测量片三和测量片四的左右表面两端的中部位置对称贴设共计八个应变计，并连接成惠斯通全桥电路；测量片五和测量片六的外侧表面中间偏上下位置对称贴设共计八个应变计，并连接成惠斯通全桥电路；测量片五和测量片六的外侧表面中间位置对称贴设共计八个应变计，并连接成惠斯通全桥电路。
进一步地，测量段的三组测量梁一、测量梁二和测量梁三设置为不同厚度，所有支撑梁设置为同一厚度；测量梁二的厚度大于测量梁一的厚度大于测量梁三的厚度，支撑梁的厚度等于测量梁三的厚度；测量梁三位于测量梁二的外侧，且测量梁二与测量梁三的中轴线位于同一水平线上，且测量梁一、测量梁二、测量梁三和支撑梁关于天平轴线呈中心对称分布。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)采用一个测量段，实现了滚转力矩Mx和轴向力X、法向力Y及偏航力矩My、俯仰力矩Mz等五个分量气动力载荷的同时测量，缩短了半模天平的轴向尺寸，同时提高了半模天平的整体刚度；
2)测量梁一、测量梁二、测量梁三和支撑梁关于天平轴线呈中心对称分布，使天平各分量均有合理的输出灵敏度，减小了各分量之间的干扰，同时降低了测量梁及支撑梁与固定端及自由端连接处的应力，改善了半模天平受载后的应力分布状态，提高了半模天平的整体强度，满足了风洞试验要求，实现了在高速风洞中利用半模支撑系统进行风洞测力试验时飞行器模型承受的气动载荷的精确测量。
附图说明
图1为实施例中风洞半模天平的主视图；
图2为实施例中风洞半模天平的俯视图；
图3为图1中A-A剖面的结构示意图；
图4为实施例中测量梁一、测量梁二上的应变计位置示意图；
图5为图4中俯视条件下测量梁一、测量梁二上的应变计位置示意图；
图6为图4中M向观察到的应变计分布示意图；
图7为图4中N向观察到的应变计分布示意图；
图8为测量各分量的惠斯通全桥电路连接示意图；
其中，1、固定端；2、测量段；3、自由端；4、测量梁一；4-1、测量片一；4-2、测量片二；5、测量梁二；5-1、测量片三；5-2、测量片四；6、测量梁三；6-1、测量片五；6-2、测量片六；7、支撑梁。
具体实施方式
为使本发明的目的；技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例：
参见图1-8，一种风洞半模天平，包括同轴依次连接的固定端1、测量段2和自由端3，固定端1与风洞半模机构固定连接，自由端3与风洞试验模型连接；测量段2数量为一个，包括设置于固定端1与自由端3之间的测量元件和支撑梁7(除测量梁以外的所有梁)；测量元件包括测量梁一4、测量梁二5和测量梁三6，测量梁一4包括均与竖直方向平行的测量片一4-1和测量片二4-2，测量梁二5包括均与竖直方向平行的测量片三5-1和测量片四5-2，测量梁三6包括均与竖直方向平行的测量片五6-1和测量片六6-2；测量片一4-1和测量片二4-2的上下表面中间位置对称贴设共计八个应变计，并连接成惠斯通全桥电路；测量片三5-1和测量片四5-2的上下表面两端位置对称贴设共计八个应变计，并连接成惠斯通全桥电路；测量片三5-1和测量片四5-2的左右表面两端的中部位置对称贴设共计八个应变计，并连接成惠斯通全桥电路；测量片五6-1和测量片六6-2的外侧表面中间位置对称贴设共计八个应变计，并连接成惠斯通全桥电路；测量片五6-1和测量片六6-2的外侧表面中间位置对称贴设共计八个应变计，并连接成惠斯通全桥电路。
在本实施例中，测量片一4-1和测量片二4-2的上下表面中间位置对称贴设共计八个应变计，分别为Mx1、Mx2、Mx3、Mx4、Mx5、Mx6、Mx7、Mx8，并连接成惠斯通全桥电路测量滚转力矩Mx分量；测量片三5-1和测量片四5-2的上下表面两端位置对称贴设共计八个应变计，分别为Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6、Y7、Y8，并连接成惠斯通全桥电路测量法向力Y分量；测量片三5-1和测量片四5-2的左右表面两端的中部位置对称贴设共计八个应变计分别为X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8，并连接成惠斯通全桥电路测量轴向力X分量；测量片五6-1和测量片六6-2的外侧表面中间偏上下位置对称贴设共计八个应变计，分别为My1、My2、My3、My4、My5、My6、My7、My8，并连接成惠斯通全桥电路测量偏航力矩My分量；测量片五6-1和测量片六6-2的外侧表面中间位置对称贴设共计八个应变计，分别为Mz1、Mz2、Mz3、Mz4、Mz5、Mz6、Mz7、Mz8，并连接成惠斯通全桥电路测量俯仰力矩Mz分量；采用一个测量段2，实现了滚转力矩Mx和轴向力X、法向力Y及偏航力矩My、俯仰力矩Mz等五个分量气动力载荷的同时测量，缩短了半模天平的轴向尺寸，同时提高了半模天平的整体刚度。
测量段2的三组测量梁一4、测量梁二5和测量梁三6设置为不同厚度，所有支撑梁7设置为同一厚度；测量梁二5的厚度大于测量梁一4的厚度大于测量梁三6的厚度，支撑梁7的厚度等于测量梁三6的厚度；测量梁三6位于测量梁二5的外侧，且测量梁二5与测量梁三6的中轴线位于同一水平线上，且测量梁一4、测量梁二5、测量梁三6和支撑梁7关于天平轴线呈中心对称分布，使天平各分量均有合理输出灵敏度，减小了各分量之间的干扰；同时降低了测量梁一4、测量梁二5、及测量梁三6和支撑梁7与固定端1和自由端3连接处的应力，改善了半模天平受载后的应力分布状态，提高了半模天平的整体强度，满足风洞试验要求，实现了在高速风洞中利用半模支撑系统进行风洞测力试验时飞行器模型承受的气动载荷的精确测量。
所用测量梁一4、测量梁二5、测量梁三6和支撑梁7共同承担作用在半模天平的气动载荷，半模天平的力矩参考中心设置测量段2的几何中心上，也即是本实施例的一段式半模天平的几何中心。这样，使天平各分量均有合理的输出灵敏度，减小了各分量之间的干扰，同时降低了测量梁及支撑梁7与固定端1及自由端3连接处的应力，改善了半模天平受载后的应力分布状态，提高了半模天平的整体强度，满足了风洞试验的要求。
如上即为本发明的实施例。上述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种风洞半模天平，其特征在于：包括同轴依次连接的固定端(1)、测量段(2)和自由端(3)，所述固定端(1)与风洞半模机构固定连接，所述自由端(3)与风洞试验模型连接；所述测量段(2)数量为一个，包括设置于所述固定端(1)与所述自由端(3)之间的测量元件和支撑梁(7)；所述测量元件包括测量梁一(4)、测量梁二(5)和测量梁三(6)，所述测量梁一(4)包括均与竖直方向平行的测量片一(4-1)和测量片二(4-2)，所述测量梁二(5)包括均与竖直方向平行的测量片三(5-1)和测量片四(5-2)，所述测量梁三(6)包括均与竖直方向平行的测量片五(6-1)和测量片六(6-2)；所述测量片一(4-1)和测量片二(4-2)的上下表面中间位置对称贴设共计八个应变计，并连接成惠斯通全桥电路；所述测量片三(5-1)和测量片四(5-2)的上下表面两端位置对称贴设共计八个应变计，并连接成惠斯通全桥电路；所述测量片三(5-1)和测量片四(5-2)的左右表面两端的中部位置对称贴设共计八个应变计，并连接成惠斯通全桥电路；所述测量片五(6-1)和测量片六(6-2)的外侧表面中间位置对称贴设共计八个应变计，并连接成惠斯通全桥电路；所述测量片五(6-1)和测量片六(6-2)的外侧表面中间位置对称贴设共计八个应变计，并连接成惠斯通全桥电路。
2.根据权利要求1所述的一种风洞半模天平，其特征在于：所述测量段(2)的三组测量梁一(4)、测量梁二(5)和测量梁三(6)设置为不同厚度，所有支撑梁(7)设置为同一厚度；所述测量梁二(5)的厚度大于测量梁一(4)的厚度大于测量梁三(6)的厚度，所述支撑梁(7)的厚度等于测量梁三(6)的厚度；所述测量梁三(6)位于测量梁二(5)的外侧，且所述测量梁二(5)与测量梁三(6)的中轴线位于同一水平线上，且所述测量梁一(4)、测量梁二(5)、测量梁三(6)和支撑梁(7)关于天平轴线呈中心对称分布。
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