CN112629813B - 一种风洞天平载荷校准加载头 - Google Patents

一种风洞天平载荷校准加载头 Download PDF

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Abstract

本发明涉及风洞气动力试验计量技术领域，具体涉及风洞天平的校准，尤其涉及一种风洞天平载荷校准加载头，包括本体，本体上设置有若干水平加载机构和纵向加载机构，所述的水平加载机构和纵向加载机构包括分别用于施加水平力和纵向力的水平连接部和纵向连接部，所述的若干水平连接部用于提供水平x、y的四个方向的校准载荷，所述的若干纵向连接部用于提供纵向z的两个方向的校准载荷。本发明对加载头的结构进行优化，通过设置多个水平加载机构和纵向加载机构对风洞天平多个维度上的受力进行模拟，使风洞天平的校准更为准确；同时本体的结构在满足刚度需求的同时，大大减少了自身的重量，进一步提高了风洞天平的校准水平。

Description

一种风洞天平载荷校准加载头
技术领域
本发明涉及风洞气动力试验计量技术领域，具体涉及风洞天平的校准，尤其涉及一种风洞天平载荷校准加载头。
背景技术
在进行飞行器或地面交通工具风洞气动力试验时，需要采用应变天平测量其所受到的气动载荷。而应变天平在投入使用之前，必须先在校准系统上完成校准工作。
加载头是风洞应变天平校准系统中的核心部件，形式多种多样。校准时，一般都是把应变天平安装在加载头内部，加载力系通过加载头施加到天平上，因此，要求加载头能够准确地将六个分量的力或力矩传递到应变天平上，从而提高天平校准的精度和准度。
加载头的制造误差、变形、在加载力系中的位置及姿态误差、天平相对于加载头上的位置及姿态误差等因素是造成校准误差的重要因素，同时，加载头的尺寸和刚性等要素的选取，要考虑不同类型和大小的天平以及相差达10倍的载荷等各种因素，因此加载头的选材、设计和加工有非常高的要求。
为了达到准确传递六个分量力或力矩的目的，对加载头研制有如下的要求：
1、加载能力满足给定的载荷上限要求；
2、在设计载荷条件下，加载头各挂点在垂直于施加载荷的力作用线方向的变形应控制在误差分析得出的允许误差范围内；
3、制造精度按照IT4级精度制造；
4、方便地进行天平安装和精确定位；
5、在满足刚度要求的情况下，尽可能减小加载头自重；
6、各力矩力臂的确定需综合考虑砝码的使用量和误差。
现有的加载头结构存在布局形式、重量与刚度比不够优化等问题，从而影响天平校准的性能和精度，因此需要提出更为合理的技术方案，解决现有技术中的不足。
发明内容
为了解决上述内容中提到的现有技术缺陷，本发明提供了一种风洞天平载荷校准加载头，旨在通过对加载头结构进行优化改进，使加载头在风洞天平的校准过程中能够提供更加稳定精确的加载力，提高风洞天平的校准效果。
为了实现上述目的，本发明具体采用的技术方案是：
一种风洞天平载荷校准加载头，包括本体，本体上设置有若干水平加载机构和纵向加载机构，所述的水平加载机构和纵向加载机构包括分别用于施加水平力的若干水平连接部和用于施加纵向力的若干纵向连接部，所述的若干水平连接部用于提供水平x、y的四个方向的校准载荷，所述的若干纵向连接部用于提供纵向z的两个方向的校准载荷。
上述公开的加载头，在进行风洞天平的校准时，将风洞天平与本体配合连接，通过水平加载机构和纵向加载机构提供载荷，使风洞天平能够受到多个方向的力，通过调整对应的水平加载机构或纵向加载机构，能够更为真实地模拟出风洞天平在风洞装置中的实际受力情况，因此能够更好地校准风洞天平。
进一步的，本发明中所公开的水平加载机构和纵向加载机构的结构并不唯一确定，可采用多种可行的方案，此处进行优化并举出其中一种可行的选择：所述的水平加载机构和纵向加载机构均包括加载座，加载座连接固定于本体上；加载座上设置有水平连接部或纵向连接部，所述的水平连接部或纵向连接部包括球面凹槽，球面凹槽的最低点处设置有连接通孔，连接通孔的中心线指向x、y或z方向且连接通孔的中心线延伸通过球面凹槽的球心。采用此种方案时，所述的水平加载机构能够连接施加水平力的挂环、拉线或钢带等结构，纵向加载机构能够连接施加纵向力的挂环、拉线或钢带等结构，以实现力的施加，从而模拟风洞天平中的受力情况，对风洞天平进行校准。
进一步的，本发明所公开的水平加载机构和纵向加载机构还可采用如下一种可行的选择：所述的水平加载机构或纵向加载机构包括连接件，连接件可拆卸地设置在连接座上，所述的水平连接部或纵向连接部设置在连接件上。采用如此方案时，方便连接件的安装和维护，在长时间使用后若发生变形损坏，可重新更换连接件，从而保持水平加载机构和纵向加载机构的可靠性。
进一步的，本发明中所公开的本体的结构并不唯一确定，可采用多种可行的方案，此处进行优化并举出如下一种可行的选择：所述的本体包括方形的顶板和方形的底板，顶板与底板之间通过若干垂直交错的纵向连接板支撑稳定。采用如此方案时，本体在满足刚度需求的前提下，自重得到极大的减小，更有利于风洞天平的校准。
进一步的，本发明中设置纵向加载机构时可采用多种可行的方案，此处进行优化并举出如下一种可行的选择：所述的本体的顶部设置有至少四个纵向加载机构，四个纵向加载机构分别位于顶板的四条侧边处。
再进一步，本发明中对设置纵向加载机构的方式进行优化，举出如下可行的选择：所述的本体的底部至少设置有四个纵向加载机构，四个纵向加载机构分别位于底板的四角处。采用如此的方案时，本体的顶部和底部均设置有纵向加载机构，可对本体施加纵向上两个方向的力，且多个位置设置有纵向加载机构，能够确保施加的纵向力可以对各个位置的真实受力情况进行模拟。
再进一步，本发明中还设置有水平加载机构，水平加载机构的设置方式并不唯一确定，可采用多种可行的方案，此处进行优化并举出如下一种可行的选择：所述的本体的底部设置有至少六个水平加载机构，水平加载机构均分为两组且分别设置于底板的一组对边上，两组水平加载机构在底板上呈镜像对称布置。采用如此方案时，六个水平加载机构可以模拟水平面上的各个方向的受力情况，确保对风洞天平的真实受力情况进行模拟。
进一步的，对本体的结构进行优化，此处举出如下一种可行的选择：所述的底板下方设置有一组基脚板，基脚板沿底板的一组对边设置，两个基脚板之间形成用于容纳风洞天平的凹槽。采用如此方案时，两个基脚板具有一定的厚度，且基脚板与底板之间通过加固筋板连接形成一定的高度，基脚板之间的凹槽即为容纳风洞天平的结构，可帮助连接固定风洞天平，使风洞电平与加载头的相对位置保持精确一致，符合校准的位置需求。
进一步的，为了减少自重，对本体的结构继续优化，此处举出如下可行的选择：所述的顶板和底板上设置有镂空结构。
进一步的，为了减少自重，对本体的结构继续优化，此处举出如下可行的选择：所述的纵向连接板上设置有镂空结构。
再进一步，所述的镂空结构包括但不限于方形孔、圆形孔、条形孔。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
本发明对加载头的结构进行优化，通过设置多个水平加载机构和纵向加载机构对风洞天平多个维度上的受力进行模拟，使风洞天平的校准更为准确；同时本体的结构在满足刚度需求的同时，大大减少了自身的重量，进一步提高了风洞天平的校准水平。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅表示出了本发明的部分实施例，因此不应看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它相关的附图。
图1为加载头的整体结构示意图。
图2为加载头另一视角的整体结构示意图。
图3为加载头的俯视结构示意图。
图4为加载头的仰视结构示意图。
图5为加载头的正视结构示意图。
图6为加载头的侧视结构示意图。
图7为连接件的结构示意图。
图8为采用加载头为杆式天平校准的示意图。
图9为采用加载头为带支杆的杆式天平校准的示意图。
图10为采用加载头为盒式天平校准的示意图。
上述附图中，各标记的含义是：1、顶板；101、纵向加载机构；102、水平加载机构；2、连接座；3、镂空结构；4、底板；5、基脚板；6、连接件；601、球面凹槽；602、螺杆部；603、连接通孔；7、纵向连接板；8、凹槽；9、螺孔；10、浮动端连接件；11、杆式天平；12、固定端连接件；13、支杆；14、浮动端连接板；15、盒式天平；16、固定端连接板。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步阐释。
在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。本文公开的特定结构和功能细节仅用于描述本发明的示例实施例。然而，可用很多备选的形式来体现本发明，并且不应当理解为本发明限制在本文阐述的实施例中。
实施例
针对风洞天平的具体应用，在其校准工作中需要加载头施加载荷力以帮助风洞天平的校准，校准工作对加载头的刚度、施力精度要求高，现有的加载头在布局形式、刚度、安装定位等方面较难满足模拟风洞试验带支杆校准及更高精度的校准需求，进而难以使风洞天平的校准达到更高的水平。本实施例公开了一种加载头结构，以解决现有技术中的技术问题。
具体的，如图1～图6所示，本实施例公开的技术方案是：
一种风洞天平载荷校准加载头，包括本体，本体上设置有若干水平加载机构102和纵向加载机构101，所述的水平加载机构102和纵向加载机构101包括分别用于施加水平力的若干水平连接部和用于施加纵向力的若干纵向连接部，所述的若干水平连接部用于提供水平x、y的四个方向的校准载荷，所述的若干纵向连接部用于提供纵向z的两个方向的校准载荷。
本实施例中，x、y和z方向都包括正负两个方向的施力，在本实施例中，将本体的结构设置成马鞍形，且本体的长宽高尺寸分别为1260mm，1070mm和560mm。
上述公开的加载头，在进行风洞天平的校准时，将风洞天平与本体配合连接，通过水平加载机构102和纵向加载机构101提供载荷，使风洞天平能够受到多个方向的力，通过调整对应的水平加载机构102或纵向加载机构101，能够更为真实地模拟出风洞天平在风洞装置中的实际受力情况，因此能够更好地校准风洞天平。
本实施例中所公开的水平加载机构102和纵向加载机构101的结构并不唯一确定，可采用多种可行的方案，此处进行优化并举出其中一种可行的选择：所述的水平加载机构102和纵向加载机构101均包括加载座，加载座连接固定于本体上；加载座上设置有水平连接部或纵向连接部，所述的水平连接部或纵向连接部包括球面凹槽601，球面凹槽601的最低点处设置有连接通孔603，连接通孔603的中心线指向x、y或z方向且连接通孔603的中心线延伸通过球面凹槽601的球心。采用此种方案时，所述的水平加载机构102能够连接施加水平力的挂环、拉线或钢带等结构，纵向加载机构101能够连接施加纵向力的挂环、拉线或钢带等结构，以实现力的施加，从而模拟风洞天平中的受力情况，对风洞天平进行校准。
优选的，本实施例所公开的水平加载机构102和纵向加载机构101还可采用如下一种可行的选择：如图7所示，所述的水平加载机构102或纵向加载机构101包括连接件6，连接件6可拆卸地设置在连接座2上，所述地水平连接部或纵向连接部设置在连接件6上。所述的连接座2通过销钉和螺栓连接至本体。采用如此方案时，方便连接件6的安装和维护，在长时间使用后若发生变形损坏，可重新更换连接件6，从而保持水平加载机构102和纵向加载机构101的可靠性。
在本实施例中，所述的连接件6包括螺杆部602和校准部，所述的螺杆部602与连接座2连接紧固；同时校准部与螺杆部602一体成型，球形凹槽8设置于校准部，连接通孔603沿螺杆部602延伸并将螺杆部602贯穿。
优选的，所述的连接座2采用50Cr材料制成；所述的连接件6采用GCr15材质制成，经调质、表面渗氮处理，达到硬度HRC56-60。
本实施例中所公开的本体的结构并不唯一确定，可采用多种可行的方案，此处进行优化并采用如下一种可行的选择：所述的本体包括方形的顶板1和方形的底板4，顶板1与底板4之间通过若干垂直交错的纵向连接板7支撑稳定。采用如此方案时，本体在满足刚度需求的前提下，自重得到极大的减小，更有利于风洞天平的校准。
优选的，所述的顶板1、底板4和纵向连接板7由30CrMnSi钢板焊接后精加工制成。
本实施例中设置纵向加载机构101时可采用多种可行的方案，此处进行优化并采用如下一种可行的选择：所述的本体的顶部设置有四个纵向加载机构101，四个纵向加载机构101分别位于顶板1的四条侧边处。
本实施例中对设置纵向加载机构101的方式进行优化，采用如下可行的选择：所述的本体的底部设置有四个纵向加载机构101，四个纵向加载机构101分别位于底板4的四角处。采用如此的方案时，本体的顶部和底部均设置有纵向加载机构101，可对本体施加纵向上两个方向的力，且多个位置设置有纵向加载机构101，能够确保施加的纵向力可以对各个位置的真实受力情况进行模拟。
本实施例中还设置有水平加载机构102，水平加载机构102的设置方式并不唯一确定，可采用多种可行的方案，此处进行优化并举出如下一种可行的选择：所述的本体的底部设置有六个水平加载机构102，水平加载机构102均分为两组且分别设置于底板4的一组对边上，两组水平加载机构102在底板4上呈镜像对称布置。采用如此方案时，六个水平加载机构102可以模拟水平面上的各个方向的受力情况，确保对风洞天平的真实受力情况进行模拟。
以上说明了本体上的水平加载机构102和纵向加载机构101的设置，共设置14处，其中6个水平加载机构102用于加载Fx、Fz和My三个分量，8个纵向加载机构用于加载Fy、Mz和Mx三个分量。
在进行实际力的加载时，通过误差分析表明，为减小不同分量之间的干扰，加载头各施力点应尽可能在其对应力作用线的垂直基准面上，如不能，则应尽可能减小施力点到其对应力作用线的垂直基准面的距离；力臂的大小将直接影响产生力矩的加载机构所加载荷的大小，这也将影响施力的大小和由此带来的误差。综合考虑施力大小和误差的大小，确定加载头的三个力臂的大小分别为：LMz=600mm，LMy=450mm，LMx=450mm。
对本体的结构进行优化，此处举出如下一种可行的选择：所述的底板4下方设置有一组基脚板5，基脚板5沿底板4的一组对边设置，两个基脚板5之间形成用于容纳风洞天平的凹槽8。采用如此方案时，两个基脚板具有一定的厚度，且基脚板5与底板4之间通过加固筋板连接形成一定的高度，基脚板5之间的凹槽8即为容纳风洞天平的结构，可帮助连接固定风洞天平，使风洞电平与加载头的相对位置保持精确一致，符合校准的位置需求。
在本实施例中，根据需校准天平的尺寸，确定基脚板5间的凹槽8宽度尺寸为500mm，长度大于1000mm；天平连接面至天平校准中心距离150mm。
优选的，为了减少自重，对本体的结构继续优化，此处举出如下可行的选择：所述的顶板1和底板4上设置有镂空结构3。
优选的，为了减少自重，对本体的结构继续优化，此处举出如下可行的选择：所述的纵向连接板7上设置有镂空结构3。
优选的，所述的镂空结构3包括但不限于方形孔、圆形孔、条形孔。这样设置后，加载头总重量约为1000kg。
采用本实施例公开的加载头，能够满足在给定最大校准载荷校准时的强度和刚度要求；在给定设计载荷条件下，加载头各加载机构在垂直于其所加载荷力作用线方向的位移满足0.03mm的控制要求。另外，分析杆式与盒式两种不同类型的天平校准过程中加载头变形情况可以看出，杆式天平11校准时加载头的变形明显大于盒式天平15校准的情况，主要原因是天平的安装位置不同造成的，因此在该种类型的加载头的设计中，要着重考虑杆式天平11校准时的情况，加载头的刚度满足了杆式天平11校准要求，自然也就满足了盒式天平15的校准要求。
此处针对本实施例公开的加载头进行实际校准的方法进行说明。
一、用于杆式天平的校准
如图8所示，在用于杆式天平11的校准时，杆式天平11的一端通过浮动端连接件10与加载头底部的凹槽8配合面相连接，确定连接位置的依据是使杆式天平11的校准中心与加载头的加载中心相重合，杆式天平11另一端通过固定端连接件12与固定支座相连接。所述的凹槽8内设置有螺孔9，浮动端连接件10通过螺栓连接固定在凹槽8面内。校准时，力和力矩载荷经各加载机构作用在加载头上，并传递到杆式天平11上。
二、用于带支杆的杆式天平校准
如图9所示，将风洞试验实际使用的支杆13与杆式天平11的一端相连接，杆式天平11的另一端通过浮动端连接件10与加载头底部凹槽8配合面相连接，确定连接位置的依据是使杆式天平11的校准中心与加载头的加载中心相重合，支杆13的另一端与固定支座相连接。校准时，力和力矩载荷经各加载机构作用在加载头上，并传递到杆式天平11上，天平受力后支杆13的变形情况也被真实地模拟出来。
三、用于盒式天平的校准
如图10所示，盒式天平15的浮动框通过浮动端连接板14与加载头底部凹槽8的配合面相连接，确定连接位置的依据是尽量使盒式天平15的校准中心与加载头的加载中心相重合，盒式天平15固定框通过固定端连接板16与天平校准架的底座相连接。校准时，力和力矩载荷经各加载机构作用在加载头上，并传递到盒式天平15上。
以上即为本发明列举的实施方式，但本发明不局限于上述可选的实施方式，本领域技术人员可根据上述方式相互任意组合得到其他多种实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的实施方式。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。

Claims (8)

1.一种风洞天平载荷校准加载头，其特征在于：包括本体，本体上设置有若干水平加载机构（102）和纵向加载机构（101），所述的水平加载机构（102）包括用于施加水平力的若干水平连接部，纵向加载机构（101）包括用于施加纵向力的若干纵向连接部，所述的若干水平连接部用于提供水平x、y的四个方向的校准载荷，所述的若干纵向连接部用于提供纵向z的两个方向的校准载荷；
所述的水平加载机构（102）和纵向加载机构（101）均包括加载座，加载座连接固定于本体上；加载座上设置有水平连接部或纵向连接部，所述的水平连接部或纵向连接部包括球面凹槽（601），球面凹槽（601）的最低点处设置有连接通孔（603），连接通孔（603）的中心线指向x、y或z方向且连接通孔（603）的中心线延伸通过球面凹槽（601）的球心；
所述的水平加载机构（102）或纵向加载机构（101）包括连接件（6），连接件（6）可拆卸地设置在连接座（2）上，所述的水平连接部或纵向连接部设置在连接件（6）上；所述的连接件（6）包括螺杆部（602）和校准部，所述的螺杆部（602）与连接座（2）连接紧固，校准部的外径大于螺杆部的外径；同时校准部与螺杆部（602）一体成型，球面凹槽（601）设置于校准部，连接通孔（603）沿螺杆部（602）延伸并将螺杆部（602）贯穿。
2.根据权利要求1所述的风洞天平载荷校准加载头，其特征在于：所述的本体包括方形的顶板（1）和方形的底板（4），顶板（1）与底板（4）之间通过若干垂直交错的纵向连接板（7）支撑稳定。
3.根据权利要求2所述的风洞天平载荷校准加载头，其特征在于：所述的本体的顶部设置有至少四个纵向加载机构（101），四个纵向加载机构（101）分别位于顶板（1）的四条侧边处。
4.根据权利要求2所述的风洞天平载荷校准加载头，其特征在于：所述的本体的底部至少设置有四个纵向加载机构（101），四个纵向加载机构（101）分别位于底板（4）的四角处。
5.根据权利要求2所述的风洞天平载荷校准加载头，其特征在于：所述的本体的底部设置有至少六个水平加载机构（102），水平加载机构（102）均分为两组且分别设置于底板（4）的一组对边上，两组水平加载机构（102）在底板（4）上呈镜像对称布置。
6.根据权利要求2～5中任一项所述的风洞天平载荷校准加载头，其特征在于：所述的底板（4）下方设置有一组基脚板（5），基脚板（5）沿底板（4）的一组对边设置，两个基脚板（5）之间形成用于容纳风洞天平的凹槽（8）。
7.根据权利要求2所述的风洞天平载荷校准加载头，其特征在于：所述的顶板（1）和底板（4）上设置有镂空结构（3）。
8.根据权利要求2所述的风洞天平载荷校准加载头，其特征在于：所述的纵向连接板（7）上设置有镂空结构（3）。
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朱本华."低速风洞应变天平校准系统总体方案及关键部件设计与分析".《中国博士学位论文全文数据库 工程科技II辑》.2010,(第04（2010）期),正文第47-52页. *

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