CN112525481A - 一种六分量高精度微量滚转力矩测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种六分量高精度微量滚转力矩测量装置，涉及航空航天风洞测力试验技术领域，能同时测量作用在试验模型上载荷极其悬殊的六个气动力分量，具体方案为：包括主天平元件、轴承、模型连接套、天平支杆、进气管和排气管；主天平元件包括分别位于两端的支杆端和主天平元件模型端，支杆端与天平支杆连接，主天平元件模型端与轴承的定子连接，轴承的转子与模型连接套连接；主天平元件外围环设有滚转‑阻力元件，滚转‑阻力元件包括固定端和滚转‑阻力元件模型端，固定端与主天平元件模型端连接；本发明提供的六分量高精度微量滚转力矩测量装置能避免相同试验状态的重复试验，提高了试验数据精度，同时减少了试验车次，降低了试验成本。

Description

一种六分量高精度微量滚转力矩测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及航空航天风洞测力试验技术领域，更具体地说，它涉及一种六分量高精度微量滚转力矩测量装置及测量方法。

背景技术

针对小型化再入飞行体试验模型微量滚转力矩的测量要求，通常采用基于气体轴承的单分量气浮天平结合大量程六分量小滚转力矩试验技术开展高速风洞试验。单分量气浮天平的滚转力矩量程比六分量小滚转力矩要小1个数量级，最大仅为0.02牛米。通过单分量气浮天平和六分量天平不同车次的合理组合和重复验证，实现克·厘米量级的力矩测量。

采用该技术方案的主要缺点是不能同时测量作用在试验模型上载荷极其悬殊的六个气动力分量。一是相同试验状态可能需要重复试验，由于模型拆装造成试验状态差异且所测量很小，严重影响试验数据精度；二是造成试验车次增加，单分量气浮天平开展的校核试验全部是重复车次，试验成本很高；三是单分量气浮天平安装在模型外部，非常容易在高温试验条件下产生较大的温度效应，增大了试验数据的不确定度；四是试验方案复杂，试验及数据修正、分析困难，容易造成人为错误。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种六分量高精度微量滚转力矩测量装置，能同时测量作用在试验模型上载荷极其悬殊的六个气动力分量。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种六分量高精度微量滚转力矩测量装置，包括主天平元件、轴承、模型连接套、天平支杆、进气管和排气管；

主天平元件包括分别位于两端的支杆端和主天平元件模型端，支杆端与天平支杆连接，主天平元件模型端与轴承的定子连接，轴承的转子与模型连接套连接；主天平元件外围环设有滚转-阻力元件，滚转-阻力元件包括固定端和滚转-阻力元件模型端，固定端与主天平元件模型端连接，滚转-阻力元件模型端与模型连接套连接；主天平元件内部设有与进气管连通的进气通道，排气管数量至少为2，主天平元件外侧设有与排气管连通并与排气管数量相同的排气通道，排气通道沿主天平元件的中心轴对称设置；模型连接套外设有试验模型；主天平元件上设有敏感元件，敏感元件上设有高精度应变计；滚转-阻力元件上也设有敏感元件和阻力元件，敏感元件上设有高精度应变计。

作为一种优选方案，天平支杆、主天平元件、气浮轴承与模型连接套顺次连接，滚转-阻力元件与气浮轴承分别固连在模型连接套和主天平元件模型端。

作为一种优选方案，轴承为导轨式气浮轴承，设置在试验模型空腔内部，通过进气管通入的高压气体实现周向及轴向自由状态。

在上述优选方案中，试验过程中气浮轴承并不会明显转动，但会发生微小角位移和轴向位移，以便滚转-阻力元件产生足够的变形达到测力目的。

作为一种优选方案，排气管为两根，主天平元件外侧的排气通道为两根波纹管，两根波纹管分别与两根排气管连通。

在上述优选方案中，图中排气管为两根，从天平支杆右侧看两根排气管和进气管呈“品”字型以充分利用天平支杆内部空间，在左侧区域的主天平元件中，三个通道是并排设置的，即进气通道位于中心轴位置，两根排气通道相对中心轴对称；设置两根排气管和两个通气通道，是为了减小通道的占用空间，减小整体的体积，在不同的实施案例中，也可使用偶数个排气通道，沿中心轴对称即可，以减少主天平测力分量的正负对称性。

作为一种优选方案，主天平元件内部设置轴向通孔。

在上述优选方案中，主天平元件内部设置轴向通孔进气，以节省空间并使主天平敏感元件具有足够的灵敏度。

作为一种优选方案，主天平支杆、主天平元件、气浮轴承与模型连接套顺次连接，滚转-阻力元件与气浮轴承分别固连在模型连接套和主天平元件模型端。

作为一种优选方案，主天平元件为四分量天平，用于测量升力、俯仰力矩、侧力和偏航力矩，主天平元件模型端设有定位凸台和密封槽，密封槽配合密封圈实现高压进气密封；支杆端和主天平元件模型端对称设置有两个敏感元件。

作为一种优选方案，滚转-阻力元件为二分量环式天平结构，滚转-阻力元件上的敏感元件为纵横向互为90°的4根滚转测量梁；阻力测量梁包括4个，阻力测量梁分别设在滚转测量梁靠近模型端的根部。

在上述优选方案中，二分量环式天平结构用于测量阻力和微量滚转力矩。

作为一种优选方案，滚转测量梁与阻力测量梁是串连关系，且相互垂直形成L型结构，测量梁上设置有高精度应变计。

在上述方案中，需要保证阻力产生时滚转测量梁受拉伸力作用而不可能失稳。

作为一种优选方案，滚转-阻力元件上还设置了4个对称布置的限位槽。

在上述优选方案中，设置4个对称布置的限位槽，用于放置安装和测试过程中过载引起测量元件损坏。

六分量高精度微量滚转力矩测量装置的工作原理是：通过巧妙的结构布局设计，利用主天平元件粘贴在其表面的应变计形成4个测量电桥，实现升力、俯仰力矩、侧向力及偏航力矩的测量；利用气浮轴承实现试验模型在周向和轴向几乎无摩擦的自由态，同时传递作用在试验模型上由主天平元件测量的4个气动力；通过布置在滚转-阻力元件测量梁上的4个测量电桥，在测量微量滚转力矩的同时实现了阻力测量。

一种六分量高精度微量滚转力矩测量方法，基于上述的六分量高精度微量滚转力矩测量装置，包括以下步骤：

S1：将主天平元件及滚转-阻力元件进行应变计粘贴形成测量电桥；

S2：六分量高精度微量滚转力矩测量装置按如下步骤装配：先将主天平元件上的通气管路连接可靠，并进行气密性试验，然后与天平支杆连接；接着，将滚转-阻力元件、模型连接套依次套在主天平元件上，并滑移到靠近支杆的位置，将气浮轴承安装在主天平元件上；再将滚转-阻力元件安装在主天平元件上,然后将模型连接套安装在气浮轴承上，最后将滚转-阻力元件与模型连接套固定；

S3：按试验状态的载荷与气浮轴承工作压力条件，在地面对装配好的六分量高精度微量滚转力矩测量装置进行通气状态校准标定，获取载荷与电压信号的关系矩阵；

S4：将完成标定的测量装配体安装在试验风洞中，然后安装好试验模型，按气浮轴承工作压力通气，天平各测量电桥通电，使气浮轴承正常工作，天平各电桥信号输出正常；

S5：试验启动，采集各测量电桥电压信号，通过第S3步标定的关系矩阵将电压信号回算为气动力值，完成6个分量气动力同时测量。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明提供的六分量高精度微量滚转力矩测量装置能避免相同试验状态的重复试验，提高了试验数据精度，同时减少了试验车次，降低了试验成本；

(2)发明提供的六分量高精度微量滚转力矩测量装置组成测量装配体的所有部件全部设置在模型空腔内部，在高温试验条件下有效降低了温度效应，减少了试验数据的不确定度；

(3)发明提供的六分量高精度微量滚转力矩测量装置试验方案简单，不需要重复装配，试验及数据修正、分析容易；

(4)发明提供的六分量高精度微量滚转力矩测量装置可重复利用，当模型外形改变而载荷相似时，只需按模型连接套的接口重新设计模型便可开展相应的风洞试验。

附图说明

图1是本发明实施例的六分量高精度微量滚转力矩测量装置的结构示意图；

图2是本发明实施例主天平元件结构示意图；

图3是实施例主天平元件测量电桥图；

图4是本发明实施例滚转-阻力元件结构示意图；

图5是本发明实施例滚转-阻力元件测量电桥图；

其中：

1、主天平元件；2、轴承；3、模型连接套；4、天平支杆；5、进气管；6、排气管；7、滚转-阻力元件；8、波纹管；9、敏感元件；11、支杆端；12、主天平元件模型端；13、密封槽；71、固定端；72、滚转-阻力元件模型端；73、滚转测量梁；74、阻力测量梁；

图2中的：1(2)、3(4)、5(6)、7(8)、9(10)、11(12)、13(14)、15(16)对应图3中个测量电桥所使用的应变计；

图4中的：1(2)、3(4)、5(6)、7(8)、9(10)、11(12)、13(14)、15(16)、17(18)、19(20)、21(22)、23(24)对应图5中各测量电桥所使用的应变计。

具体实施方式

本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包括”为一开放式用语，故应解释成“包括但不限定于”。“大致”是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。

本说明书及权利要求的上下左右等方位名词，是结合附图以便于进一步说明，使得本申请更加方便理解，并不对本申请做出限定，在不同的场景中，上下、左右、里外均是相对而言。

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

所述的六分量高精度微量滚转力矩测量装置如图1所示，主要包括主天平元件1、气浮轴承2、模型连接套3、天平支杆4、进气管5和排气管6路。所述的主天平元件1支杆端11与支杆通过法兰连接、销钉定位，模型端与气浮轴承2定子通过法兰连接；所述的滚转阻力元件是一种柔弱的浮框结构，将主天平元件1包容在内部，其固定端71与所述的主天平元件模型端12相连，模型端与模型连接套3连接；所述的气浮轴承2是一种导轨式气浮轴承2，通过进气管5高压气体实现周向及轴向自由状态，其转子通过法兰与模型连接套3相连，定子与主天平元件模型端12相连；所述的主天平元件1内部设计轴向通孔作为进气通道，左右两侧设计了2根排气管6通过对称布置的2只波纹管8连通，通过所述的天平支杆4内部引出风洞；所述的模型连接套3外面套有试验模型。所述的六分量高精度微量滚转力矩测量装置其特征是所述的气浮轴承2、主天平元件1和滚转阻力元件全部位于模型内部；所述的进气管5穿过主天平内部，排气管6通过布置在主天平元件1两侧的波纹管8引出；所述的主天平元件1与气浮轴承2、模型连接套3串连，所述的滚转阻力元件与气浮轴通过模型连接套3并连。

所述的主天平元件1结构如图2所示，外形如哑铃，模型端设置了定位凸台并设置了密封槽13，通过O型密封圈实现高压进气密封。其支杆端11与模型端设置在两端，紧接着对称设置了2个敏感元件9，敏感元件9上设置有高精度应变计。

所述的滚转阻力元件设计成一种环式天平结构，如图3所示，其敏感元件9设计成纵横向互为90度的4根滚转测量梁73，4个阻力元件设计在滚转测量梁73靠近模型端的根部，固定端71通过抱箍与主天平元件模型端12法兰外柱面上。其特征是，滚转测量梁73给你阻力测量梁74是串连关系，形成L型结构，测量梁上设置有高精度应变计。所述的滚转阻力元件上还设计了4个对称布置的限位槽，用于防止安装和试验过程过载引起测量元件损坏。

所述的六分量高精度微量滚转力矩测量装置的工作原理是：通过巧妙的结构布局设计，利用主天平元件1测量通过粘贴在其表面的应变计形成4个测量电桥，实现升力、俯仰力矩、侧向力及偏航力矩的测量；利用气浮轴承2实现试验模型在周向和轴向几乎无摩擦的自由态，同时传递作用在试验模型上由主天平元件1测量的4个气动力；通过布置在测量梁上的4个测量电桥，在测量微量滚转力矩的同时实现了阻力测量。

工作原理：本发明利用“4+2”组合式测量元件测量六个气动力分量，巧妙利用气浮导轨和气浮轴承摩擦力小的特点，实现滚转方向和阻力方向的气动力无损传递，通过周向对称L型框式滚转-阻力元件精确测量微量滚转力矩。同时，气浮轴承在高压气体气膜的支撑下将试验模型上其它4个分量的较大载荷传递到主天平元件上分别测量，有效降低了这些大载荷对于微量滚转力矩测量的干扰，从而达到载荷极其悬殊的六个气动力分量同车次测量的目的。

所述的六分量高精度微量滚转力矩测量装置的工作过程和测量方法是：

(1)各部件完成加工制造后按图2和图3所示的测量电桥对主天平元件1及滚转阻力元件进行应变计粘贴；

(2)所述的六分量高精度微量滚转力矩测量装置按如下步骤装配：先将主天平元件1上的通气管路连接可靠，并进行气密性试验，然后与天平支杆4连接。接着，将滚转阻力元件、模型连接套3依次套在主天平元件1上，并滑移到靠近支杆的位置，将气浮轴承2安装在主天平元件1上。再将滚转阻力元件安装在主天平元件1上,然后将模型连接套3安装在气浮轴承2上，最后将滚转阻力元件与模型连接套3固定；

(3)按试验状态的载荷与气浮轴承2工作压力条件，在地面对装配好的六分量高精度微量滚转力矩测量装置进行通气状态校准标定，获取载荷与电压信号的关系矩阵；

(4)将完成标定的测量装配体安装在试验风洞中，然后安装好试验模型，按气浮轴承2工作压力通气，天平各测量电桥通电，使气浮轴承2正常工作，天平各电桥信号输出正常；

(5)试验启动，采集各测量电桥电压信号，通过第(3)步标定的关系矩阵将电压信号回算为气动力值，完成6个分量气动力同时测量。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (10)

1.一种六分量高精度微量滚转力矩测量装置，其特征在于，包括主天平元件(1)、轴承(2)、模型连接套(3)、天平支杆(4)、进气管(5)和排气管(6)；

主天平元件(1)包括分别位于两端的支杆端(11)和主天平元件模型端(12)，支杆端(11)与天平支杆(4)连接，主天平元件模型端(12)与轴承(2)的定子连接，轴承(2)的转子与模型连接套(3)连接；主天平元件(1)外围环设有滚转-阻力元件(7)，滚转-阻力元件(7)包括固定端(71)和滚转-阻力元件模型端(72)，固定端(71)与主天平元件模型端(12)连接，滚转-阻力元件模型端(72)与模型连接套(3)连接；主天平元件(1)内部设有与进气管(5)连通的进气通道，排气管(6)数量至少为2，主天平元件(1)外侧设有与排气管(6)连通并与排气管(6)数量相同的排气通道，排气通道沿主天平元件(1)的中心轴对称设置；模型连接套(3)外设有试验模型；主天平元件(1)上设有敏感元件(9)，敏感元件(9)上设有高精度应变计；滚转-阻力元件(7)上也设有敏感元件(9)和阻力元件，敏感元件(9)上设有高精度应变计。

2.根据权利要求1所述的六分量高精度微量滚转力矩测量装置，其特征在于，所述主天平支杆(4)、主天平元件(1)、气浮轴承(2)与模型连接套(3)顺次连接，滚转-阻力元件(7)与气浮轴承(2)分别固连在模型连接套(3)和主天平元件模型端(12)。

3.根据权利要求2所述的六分量高精度微量滚转力矩测量装置，其特征在于，所述轴承(2)为导轨式气浮轴承(2)，设置在试验模型空腔内部，通过进气管(6)通入的高压气体实现周向及轴向自由状态。

4.根据权利要求3所述的六分量高精度微量滚转力矩测量装置，其特征在于，所述排气管(6)为两根，主天平元件(1)外侧的排气通道为两根波纹管(8)，两根波纹管(8)分别与两根排气管(6)连通。

5.根据权利要求4所述的六分量高精度微量滚转力矩测量装置，其特征在于，所述固定端(71)通过抱箍与主天平元件模型端(12)法兰外柱连接。

6.根据权利要求1至5任一所述的六分量高精度微量滚转力矩测量装置，其特征在于，所述主天平元件(1)为四分量天平，用于测量升力、俯仰力矩、侧力和偏航力矩，主天平元件模型端(12)设有定位凸台和密封槽(13)，密封槽(13)配合密封圈实现高压进气密封；支杆端(11)和主天平元件模型端(12)对称设置有两个敏感元件(9)。

7.根据权利要求6所述的六分量高精度微量滚转力矩测量装置，其特征在于，所述滚转-阻力元件(7)为二分量环式天平结构，滚转-阻力元件(7)上的敏感元件(9)为纵横向互为90°的4根滚转测量梁(73)；阻力测量梁(74)包括4个，阻力测量梁(74)分别设在滚转测量梁(73)靠近模型端的根部。

8.根据权利要求7所述的六分量高精度微量滚转力矩测量装置，其特征在于，所述滚转测量梁(73)与阻力测量梁(74)是串连关系，且相互垂直形成L型结构，测量梁上设置有高精度应变计。

9.根据权利要求8所述的六分量高精度微量滚转力矩测量装置，其特征在于，所述滚转-阻力元件(7)上还设置了4个对称布置的限位槽。

10.一种六分量高精度微量滚转力矩测量方法，基于权利要求1至9任一所述的六分量高精度微量滚转力矩测量装置，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将主天平元件(1)及滚转-阻力元件(7)进行应变计粘贴形成测量电桥；

S2：六分量高精度微量滚转力矩测量装置按如下步骤装配：先将主天平元件(1)上的通气管路连接可靠，并进行气密性试验，然后与天平支杆(4)连接；接着，将滚转-阻力元件(7)、模型连接套(3)依次套在主天平元件(1)上，并滑移到靠近支杆的位置，将气浮轴承(2)安装在主天平元件(1)上；再将滚转-阻力元件(7)安装在主天平元件(1)上,然后将模型连接套(3)安装在气浮轴承(2)上，最后将滚转-阻力元件(7)与模型连接套(3)固定；

S3：按试验状态的载荷与气浮轴承(2)工作压力条件，在地面对装配好的六分量高精度微量滚转力矩测量装置进行通气状态校准标定，获取载荷与电压信号的关系矩阵；

S4：将完成标定的测量装配体安装在试验风洞中，然后安装好试验模型，按气浮轴承(2)工作压力通气，天平各测量电桥通电，使气浮轴承(2)正常工作，天平各电桥信号输出正常；

S5：试验启动，采集各测量电桥电压信号，通过第S3步标定的关系矩阵将电压信号回算为气动力值，完成6个分量气动力同时测量。

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