CN112362294A - 一种同轴并联式轴向载荷测量的高精度风洞测力天平 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种同轴并联式轴向载荷测量的高精度风洞测力天平，属于风洞天平设计领域；包括前锥、径向四分量载荷测量元件、轴向载荷测量元件、等直段和后锥；径向四分量载荷测量元件包括两组结构相同的三柱梁，两组三柱梁分别设置在所述轴向载荷测量元件的轴向两端，组成六分量测量元件；前锥、六分量测量元件、等直段和后锥同轴依次连接，组成测力天平；轴向载荷测量元件包括外壳、阻力支撑片梁组、阻力测量梁、滚转力矩测量梁、中间壳体、支撑内轴和滚转力矩支撑片梁组；本发明确保了天平整体刚度较大的情况下，实现轴向载荷测量解耦、避免其他分量对轴向分量的测量干扰，提高测量精度。

Description

一种同轴并联式轴向载荷测量的高精度风洞测力天平

技术领域

本发明属风洞天平设计领域于，涉及一种同轴并联式轴向载荷测量的高精度风洞测力天平。

背景技术

气动设计是飞行器型号研制的先行官，而风洞试验是验证气动设计方案质量、预测飞行器气动性能最可靠的手段。应变天平作为风洞测力试验的核心测量元件，其性能对试验能力和测力精度有着决定性作用。当前，武器型号风洞试验越来越关注轴向载荷(滚转力矩Mx和阻力X)的微小量测量能力和测量精度。例如，战略战术导弹、飞机等的阻力测量精度直接决定了对其弹道、射程、飞行效率等关键指标的评估；再如，再入飞行器、潜射导弹等外形微非对称引起的微量滚转力矩精确测量、以及某些无滚控型号设计的滚转力矩包线精确测量，很大程度上决定了型号方案的可行性。而对风洞应变天平而言，轴向载荷是最难测量的载荷分量，其主要原因包括：1)受风洞模型外形尺寸、载荷特点限制，天平结构长细比较大，同时，轴向载荷一般较其他分量小一个量级以上，为保证测量载荷匹配和较高灵敏度输出，需严格协调刚度和灵敏度矛盾；2)由于轴向载荷特点和测量元件设置的客观要求，天平受载变形时各分量对轴向存在不同程度的干扰，且多为非线性，加剧了轴向载荷的测量难度；3)受限于目前传统的减材机械加工能力，无法通过设计更优的天平结构来提高其测量性能。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出同轴并联式轴向载荷测量的高精度风洞测力天平，确保了天平整体刚度较大的情况下，实现轴向载荷测量解耦、避免其他分量对轴向分量的测量干扰，提高测量精度。

本发明解决技术的方案是：

一种同轴并联式轴向载荷测量的高精度风洞测力天平，包括前锥、径向四分量载荷测量元件、轴向载荷测量元件、等直段和后锥；其中，径向四分量载荷测量元件包括两组结构相同的三柱梁，两组三柱梁分别设置在所述轴向载荷测量元件的轴向两端，组成六分量测量元件；前锥、六分量测量元件、等直段和后锥同轴依次连接，组成测力天平。

在上述的一种同轴并联式轴向载荷测量的高精度风洞测力天平，所述轴向载荷测量元件包括外壳、阻力支撑片梁组、阻力测量梁、滚转力矩测量梁、中间壳体、支撑内轴和滚转力矩支撑片梁组；其中，外壳和中间壳体均为中空圆柱，并与支撑内轴共同构成同轴嵌套结构；支撑内轴与中间壳体之间通过滚转力矩测量梁和滚转力矩支撑片梁组共同连接，构成滚转力矩测量元件；所述中间壳体和外壳之间通过阻力支撑片梁组和阻力测量梁共同连接，构成阻力测量元件；最终，形成同轴并联式的轴向载荷测量元件整体。

在上述的一种同轴并联式轴向载荷测量的高精度风洞测力天平，所述滚转力矩支撑片梁组包括两组相同结构的片梁组，分别设置在支撑内轴沿轴向的两端，每组片梁组包括八片沿支撑内轴径向等间距角排列的矩形片梁，构成米字型结构，并分别与支撑内轴和中间壳体连接。

在上述的一种同轴并联式轴向载荷测量的高精度风洞测力天平，所述滚转力矩测量梁包括两个具有相同结构的矩形片梁，分别设置在支撑内轴沿轴向中间位置的上、下两侧，并分别与支撑内轴和中间壳体连接。

在上述的一种同轴并联式轴向载荷测量的高精度风洞测力天平，所述滚转力矩支撑片梁组的矩形片梁和滚转力矩测量梁的矩形片梁沿天平轴滚转方向为薄片结构，即二者结构在除滚转以外的方向上具有较强的刚度。

在上述的一种同轴并联式轴向载荷测量的高精度风洞测力天平，所述阻力支撑片梁组包括八组相同结构的片梁组，其中四组片梁组沿中间壳体周向均匀分布，并设置在中间壳体连接滚转力矩支撑片梁组位置沿轴向的内侧；另外四组片梁组沿中间壳体周向均匀分布，并设置在与所述前四组片梁组关于中间壳体中心的轴向对称位置；每组片梁组分别包括五片沿天平轴向等距排列的矩形片梁，所有片梁分别与中间壳体和外壳连接。

在上述的一种同轴并联式轴向载荷测量的高精度风洞测力天平，所述阻力测量梁包括八个相同结构的矩形片梁，分别对应设置在阻力支撑片梁组的八组片梁组沿中间壳体轴向的内侧，并分别与中间壳体和外壳连接；所述阻力支撑片梁组的矩形片梁和阻力测量梁的矩形片梁沿天平轴向为薄片结构，即二者结构在除轴向以外的方向上具有较强的刚度。

在上述的一种同轴并联式轴向载荷测量的高精度风洞测力天平，所述外壳、中间壳体和支撑内轴在滚转力矩测量梁的上、下梁对应位置开有两个前后贯通的通槽；所述外壳和中间壳体在阻力测量梁矩形片梁的对应位置开有上下贯通的通槽。

在上述的一种同轴并联式轴向载荷测量的高精度风洞测力天平，所述径向四分量载荷测量元件三柱梁外壁表面分别敷贴有径向载荷测量应变片，构成径向四分量测量电桥；所述阻力测量梁内侧表面敷贴有阻力测量应变片，构成阻力测量电桥；所述滚转力矩测量梁上、下梁的前、后表面敷贴有滚转力矩测量应变片，构成滚转力矩测量电桥。

在上述的一种同轴并联式轴向载荷测量的高精度风洞测力天平，测力天平采用基于增材制造的高强度合金钢直接快速成型方法加工的一体式结构。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明采用“同轴-并联”式轴向载荷(阻力X和滚转力矩Mx)测量结构设计，在极大的提高天平结构整体刚度的同时，可实现轴向测量单元灵敏度的独立设计；削弱了轴向载荷测量的“刚度-灵敏度”设计矛盾，提高了轴向载荷的测量分辨率，拓宽了天平的微小量测量能力；

(2)本发明采用“同轴-并联”式轴向载荷测量结构设计，实现了轴向载荷与其他四分量载荷的测量解耦、以及轴向载荷阻力X和滚转力矩Mx之间的测量解耦，彻底解决了其他分量对轴向载荷的测量干扰，提高了轴向载荷的测量精度；

(3)本发明采用基于增材制造的高强度合金钢直接快速成型方法加工，增加了天平结构设计灵活性，避免了机加工方式对更优天平结构设计限制，天平研制周期短，成本低。

附图说明

图1为本发明高精度风洞测力天平结构示意图；

图2为本发明图1中沿Y向和Z向的对称面剖视图；

图3为图2中沿A-A、B-B截面的剖视图；

图4为本发明的轴向载荷测量元件的外壳示意图；

图5为本发明的阻力测量元件示意图；

图6为本发明的滚转力矩测量元件示意图；

图7为本发明的滚转力矩测量梁附近局部剖视图；

图8为本发明的阻力测量梁附近局部剖视图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

本发明提供一种新型高精度轴向载荷测量的风洞应变天平。基于增材制造(金属直接快速成型)方法，实现更优结构形式的天平设计，旨在提高轴向载荷Mx和X的测量精准度和分辨率。增材制造技术在缩短天平研制周期、降低成本、增加天平结构设计灵活性、避免机加工方式对更优天平结构设计限制等方面有着显著优势，通过更优天平结构的设计和应用，使进一步提高天平轴向载荷的测量分辨率、解耦特性及载荷匹配能力成为可能。

高精度风洞测力天平，如图1至图3所示，具体包括前锥1、径向四分量载荷测量元件2、轴向载荷测量元件3、等直段4和后锥5；其中，径向四分量载荷测量元件2包括两组结构相同的三柱梁，两组三柱梁分别设置在所述轴向载荷测量元件3的轴向两端，组成六分量测量元件；前锥1、六分量测量元件、等直段4和后锥5同轴依次连接，组成测力天平

如图2所示，轴向载荷测量元件3包括外壳301、阻力支撑片梁组302、阻力测量梁303、滚转力矩测量梁304、中间壳体305、支撑内轴306和滚转力矩支撑片梁组307，所述外壳301、中间壳体305为中空圆柱，并与支撑内轴306共同构成同轴嵌套结构；所述支撑内轴306与中间壳体305之间通过滚转力矩测量梁304和滚转力矩支撑片梁组307共同连接，构成滚转力矩测量元件；所述中间壳体305和外壳301之间通过阻力支撑片梁组302和阻力测量梁303共同连接，构成阻力测量元件；最终，形成同轴并联式的轴向载荷测量元件3整体。

如图2、图6和图7所示，滚转力矩支撑片梁组307包括两组具有相同结构的片梁组，分别设置在支撑内轴306沿轴向的两端，每组片梁组包含八片沿支撑内轴306径向等间距角排列的矩形片梁，构成“米”字型结构，并分别与支撑内轴306和中间壳体305连接。

滚转力矩测量梁304包括两个具有相同结构的矩形片梁，分别设置在支撑内轴306沿轴向中间位置的上、下两侧，并分别与支撑内轴306和中间壳体305连接。

滚转力矩支撑片梁组307和滚转力矩测量梁304的矩形片梁沿天平轴滚转方向为薄片结构，即，二者结构在除滚转以外的方向上具有较强的刚度。

如图2、图5和图8所示，阻力支撑片梁组302包括八组具有相同结构的片梁组，分别设置在中间壳体305的左上方、左下方、左前方、左后方、右上方、右下方、右前方、右后方，前四组片梁组沿中间壳体305周向均匀分布，并布置在中间壳体305连接滚转力矩支撑片梁组307位置沿轴向的内侧，另外四组片梁组沿中间壳体305周向均匀分布，并布置在与所述前四组片梁组关于中间壳体305中心的轴向对称位置；所述八组片梁组的每组分别包含五片沿天平轴向等距排列的矩形片梁，所有片梁分别与中间壳体305和外壳301连接。

阻力测量梁303包括八个具有相同结构的矩形片梁，分别对应设置在所述阻力支撑片梁组302的八组片梁组沿中间壳体305轴向的内侧，并分别与中间壳体305和外壳301连接。

阻力支撑片梁组302和阻力测量梁303的矩形片梁沿天平轴向为薄片结构，即，二者结构在除轴向以外的方向上具有较强的刚度。

如图1、图4所示，外壳301、中间壳体305和支撑内轴306在滚转力矩测量梁304的上、下梁对应位置开有两个前后贯通的通槽；所述外壳301和中间壳体305在阻力测量梁303左前方、左后方、右前方、右后方的测量梁对应位置开有四个上下贯通的通槽，以便于应变片的敷贴。

径向四分量载荷测量元件2三柱梁的上、下、前、后表面分别敷贴有径向载荷测量应变片201，构成径向四分量测量电桥；所述阻力测量梁303左前方、左后方、右前方、右后方的测量梁内侧表面敷贴有阻力测量应变片308，构成阻力测量电桥；所述滚转力矩测量梁304上、下梁的前、后表面敷贴有滚转力矩测量应变片309，构成滚转力矩测量电桥。

高精度风洞测力天平为采用基于增材制造的高强度合金钢直接快速成型方法加工的一体式结构。

结合图4～图8，径向四分量载荷测量元件2三柱梁的上、下、前、后表面分别敷贴有径向载荷测量应变片201，构成径向四分量测量电桥，分别用于测量法向力Y、俯仰力矩Mz、侧向力Z和偏航力矩My；所述阻力测量梁303左前方、左后方、右前方、右后方的测量梁内侧表面敷贴有阻力测量应变片308，构成阻力测量电桥，用于测量轴向力X；所述滚转力矩测量梁304上、下梁的前、后表面敷贴有滚转力矩测量应变片309，构成滚转力矩测量电桥，用于测量滚转力矩Mx。

本发明中，上述轴向载荷测量元件3采用嵌套式“滚转力矩Mx+阻力X”测量的结构，滚转力矩测量元件设置在嵌套结构的内层，阻力测量元件设置在嵌套结构的外层，最终形成“同轴-并联”式轴向载荷测量设计。该设计可确保天平整体刚度较大的情况下，实现轴向载荷测量解耦、避免其他分量对轴向分量的测量干扰，提高测量精度；同时，Mx和X也可实现高分辨率设计。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种同轴并联式轴向载荷测量的高精度风洞测力天平，其特征在于：包括前锥(1)、径向四分量载荷测量元件(2)、轴向载荷测量元件(3)、等直段(4)和后锥(5)；其中，径向四分量载荷测量元件(2)包括两组结构相同的三柱梁，两组三柱梁分别设置在所述轴向载荷测量元件(3)的轴向两端，组成六分量测量元件；前锥(1)、六分量测量元件、等直段(4)和后锥(5)同轴依次连接，组成测力天平。

2.根据权利要求1所述的一种同轴并联式轴向载荷测量的高精度风洞测力天平，其特征在于：所述轴向载荷测量元件(3)包括外壳(301)、阻力支撑片梁组(302)、阻力测量梁(303)、滚转力矩测量梁(304)、中间壳体(305)、支撑内轴(306)和滚转力矩支撑片梁组(307)；其中，外壳(301)和中间壳体(305)均为中空圆柱，并与支撑内轴(306)共同构成同轴嵌套结构；支撑内轴(306)与中间壳体(305)之间通过滚转力矩测量梁(304)和滚转力矩支撑片梁组(307)共同连接，构成滚转力矩测量元件；所述中间壳体(305)和外壳(301)之间通过阻力支撑片梁组(302)和阻力测量梁(303)共同连接，构成阻力测量元件；最终，形成同轴并联式的轴向载荷测量元件(3)整体。

3.根据权利要求2所述的一种同轴并联式轴向载荷测量的高精度风洞测力天平，其特征在于：所述滚转力矩支撑片梁组(307)包括两组相同结构的片梁组，分别设置在支撑内轴(306)沿轴向的两端，每组片梁组包括八片沿支撑内轴(306)径向等间距角排列的矩形片梁，构成米字型结构，并分别与支撑内轴(306)和中间壳体(305)连接。

4.根据权利要求3所述的一种同轴并联式轴向载荷测量的高精度风洞测力天平，其特征在于：所述滚转力矩测量梁(304)包括两个具有相同结构的矩形片梁，分别设置在支撑内轴(306)沿轴向中间位置的上、下两侧，并分别与支撑内轴(306)和中间壳体(305)连接。

5.根据权利要求4所述的一种同轴并联式轴向载荷测量的高精度风洞测力天平，其特征在于：所述滚转力矩支撑片梁组(307)的矩形片梁和滚转力矩测量梁(304)的矩形片梁沿天平轴滚转方向为薄片结构，即二者结构在除滚转以外的方向上具有较强的刚度。

6.根据权利要求5所述的一种同轴并联式轴向载荷测量的高精度风洞测力天平，其特征在于：所述阻力支撑片梁组(302)包括八组相同结构的片梁组，其中四组片梁组沿中间壳体(305)周向均匀分布，并设置在中间壳体(305)连接滚转力矩支撑片梁组(307)位置沿轴向的内侧；另外四组片梁组沿中间壳体(305)周向均匀分布，并设置在与所述前四组片梁组关于中间壳体(305)中心的轴向对称位置；每组片梁组分别包括五片沿天平轴向等距排列的矩形片梁，所有片梁分别与中间壳体(305)和外壳(301)连接。

7.根据权利要求6所述的一种同轴并联式轴向载荷测量的高精度风洞测力天平，其特征在于：所述阻力测量梁(303)包括八个相同结构的矩形片梁，分别对应设置在阻力支撑片梁组(302)的八组片梁组沿中间壳体(305)轴向的内侧，并分别与中间壳体(305)和外壳(301)连接；所述阻力支撑片梁组(302)的矩形片梁和阻力测量梁(303)的矩形片梁沿天平轴向为薄片结构，即二者结构在除轴向以外的方向上具有较强的刚度。

8.根据权利要求7所述的一种同轴并联式轴向载荷测量的高精度风洞测力天平，其特征在于：所述外壳(301)、中间壳体(305)和支撑内轴(306)在滚转力矩测量梁(304)的上、下梁对应位置开有两个前后贯通的通槽；所述外壳(301)和中间壳体(305)在阻力测量梁(303)矩形片梁的对应位置开有上下贯通的通槽。

9.根据权利要求8所述的一种同轴并联式轴向载荷测量的高精度风洞测力天平，其特征在于：所述径向四分量载荷测量元件(2)三柱梁外壁表面分别敷贴有径向载荷测量应变片(201)，构成径向四分量测量电桥；所述阻力测量梁(303)内侧表面敷贴有阻力测量应变片(308)，构成阻力测量电桥；所述滚转力矩测量梁(304)上、下梁的前、后表面敷贴有滚转力矩测量应变片(309)，构成滚转力矩测量电桥。

10.根据权利要求9所述的一种同轴并联式轴向载荷测量的高精度风洞测力天平，其特征在于：测力天平采用基于增材制造的高强度合金钢直接快速成型方法加工的一体式结构。

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