CN113483984A - 一种结冰风洞试验冰形测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于风洞试验技术领域，提供了一种结冰风洞试验冰形测量装置及测量方法，本发明的测量装置包括插板和多个插针；所述插针包括相互固定连接的方管段和圆管段；所述插板上并列设置多个插针孔，所述插针的圆管段穿过所述插针孔并且可在所述插针孔内滑动；多个所述插针的所述方管段位于所述插板的同一侧；所述方管段的上平面与所述插板的上表面共面。本发明的结冰风洞试验冰形测量装置由插板和可以活动的插针组成，使用时，只需要按照待测冰形获取位置模型的型线设置活动插针的位置即可；由此避免了现有技术中每次测量前都需要重新制备支撑板的不便；本发明的测量装置操作简单，可重复使用，大大减少了试验耗时和试验耗材。

Description

一种结冰风洞试验冰形测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及风洞试验技术领域，尤其是涉及一种结冰风洞试验冰形测量装置及测量方法。

背景技术

飞行器低速穿越富含过冷液滴的低温云层时，其迎风面上容易产生结冰现象，结冰严重威胁着飞机的飞行安全。在结冰风洞开展飞行器模型结冰试验已经成为飞行器防除冰系统设计和验证的重要环节。

飞行器模型结冰试验中，需要准确获取模型表面积冰的2维截面形状（简称冰形），冰形获取的精准度和速度直接影响试验质量效率。当前结冰风洞冰形获取主要采用热刀切割装置，将热刀水平插入需要获取冰形的模型前缘积冰中，利用铜薄片的温度使接触部位积冰融化，切割完成后抽出热刀，再插入预制方格纸进行冰形描绘，如专利201810768271.X。

试验时，方格纸需要使用一个支撑板支撑着插入到切好的冰形切口中，以使得描绘的冰形更加准确。但是该方法存在以下不足：

1. 由于每次所需测量的冰形所在模型表面的位置不同，模型表面的线型不同，因而试验中用于支撑方格纸的支撑板和方格纸前端的缺口型线也不同，所以在每次试验时都需要提前制备支撑板和方格纸，使支撑板和方格纸的缺口与待测位置模型表面型线一致；导致冰形测量的准备工序长，也造成大量的测试材料的浪费；

2. 如果试验过程中需要临时增加测量的冰形位置，由于没有提前准备与待测位置模型表面型线一致的支撑板和方格纸，则没有办法准确测量临时增加的待测冰形位置。

发明内容

为了解决以上技术问题，本发明的提供一种结冰风洞试验冰形测量装置及测量方法，本发明的测量装置适用于不用型面的模型的冰形测量，可多次重复利用，也适用于临时增加的待测位置的冰形测量，测量方法简单。

一种结冰风洞试验冰形测量装置，包括插板和多个插针；

所述插针包括相互固定连接的方管段和圆管段；

所述插板上并列设置多个插针孔，所述插针的圆管段穿过所述插针孔并且可在所述插针孔内滑动；

多个所述插针的所述方管段位于所述插板的同一侧；

所述方管段的上平面与所述插板的上表面共面。

进一步地，所述插针与插板之间设置有阻尼结构。

进一步地，所述阻尼结构为O型圈。

进一步地，所述插板上还设置有O型圈槽，所述O型圈槽开设在所述插针孔至少一端的内侧壁上。

进一步地，所述多个插针的长度相同。

一种结冰风洞试验冰形测量方法，采用如前所述的一种结冰风洞试验冰形测量装置，具体包括以下步骤：

S10. 切割冰形，获得冰形缺口；

S20. 调整多个插针，使多个方管段的顶端围成的型线与待测冰形获取位置模型的型线相同；

S30. 将具有与待测模型型面线型一致的方格纸放置在所述冰形测量装置上；

S40. 将冰形测量装置连同方格纸一同插入切好的冰形缺口中，将方格纸抵接在模型表面，并且方格纸与切割部位积冰上表面紧密贴合；

S50. 使用笔沿着冰形边缘在方格纸上绘制冰形。

进一步地，步骤S20中，当已知待测冰形获取位置模型的型线时，所述多个插针的顶端围成的型线根据已知的待测冰形获取位置模型的型线确定。

进一步地，步骤S20中，当未知待测冰形获取位置模型的型线时，将冰形测量装置插入切好的冰形缺口中，调整各插针的插入深度使每根插针的方管段都与模型表面贴合。

进一步地，步骤S30中，当已知待测冰形获取位置模型的型线时，根据已知的待测冰形获取位置模型的型线剪裁所述方格纸。

进一步地，步骤S30中，当未知待测冰形获取位置模型的型线时，按照如下方法剪裁方格纸：

S301. 将冰形测量装置插入切好的冰形缺口中，调整各插针的插入深度，使每根插针的方管段都与模型表面贴合；

S302. 将方格纸铺在所述冰形测量装置的圆管段上，使方格纸的一端抵在所述插板上；

S303. 采用剪裁装置沿着测量装置的圆管段的边沿剪裁所述方格纸。

采用本发明的结冰风洞试验冰形测量装置及测量方法，相对于现有技术，至少具有以下有益效果：

（1）本发明的结冰风洞试验冰形测量装置由插板和可以活动的插针组成，使用时，只需要按照待测冰形获取位置模型的型线设置活动插针的位置，使得插针的方管段的顶端围成的型线与待测冰形获取位置模型的型线相同即可；下次使用时再次调整插针的位置；由此，避免了现有技术中每次测量前都需要重新制备支撑板的麻烦；本发明的测量装置操作简单，可重复使用，大大减少了试验耗时和试验耗材；

（2）当需要临时增加测量的冰形位置时，只需要在该位置的冰形切好后，将本发明的测量装置插入已切好的冰形切口，使每根插针的方管段都与模型表面贴合，由此即得到了待测位置的模型型线，获得了非常适用的支撑装置；同时，将方格纸铺在该测量装置的圆管段，采用剪裁装置沿着测量装置的圆管段的边沿剪裁所述方格纸就可以获得与临时增加位置的模型型线一致的方格纸，解决了现有技术无法测量临时增加位置的冰形的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，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他的附图。

图1是本发明实施例一的一种结冰风洞试验冰形测量装置的结构示意图；

图2是本发明实施例一的插板的截面图；

图3是本发明实施例四的冰形切割装置的结构示意图；

图4是本发明实施例四的冰形测量装置结合冰形切割装置的结构示意图。

图中，01-底座，02-立柱，03-连接杆；11-螺杆，12-螺杆滑轮座，13-线轨，14-Z轴滑块，15-手轮；20-X轴滑动装置，21-X轴光轴，22-X轴滑块，23-预紧力弹簧；30-Y轴滑动装置，31-Y轴光轴，32-Y轴滑块；40-切割刀具，41-加热器，42-热管刀，50-冷却装置；60-测量装置，61-插针，62-插板，621-插针孔，622-O型圈槽，623-阻尼结构。

具体实施方式

以下的说明提供了许多不同的实施例、或是例子，用来实施本发明的不同特征。以下特定例子所描述的元件和排列方式，仅用来精简的表达本发明，其仅作为例子，而并非用以限制本发明。

实施例一

一种结冰风洞试验冰形测量装置，如图1、图2所示，包括插板62和多个插针61；所述插针61包括相互固定连接的方管段611和圆管段612；所述插板62上并列设置多个插针孔621，所述插针61的圆管段612穿过所述插针孔621并且可在所述插针孔621内滑动；多个所述插针61的所述方管段611位于所述插板62的同一侧；所述方管段611的上平面与所述插板62的上表面共面。

由此，测试时，将方格纸放置在由方管段611的上平面和插板62的上表面组成的平面上，防止方格纸发生褶皱影响测量结果的准确性，同时，由方管段组成的平面相对于圆管段组成的平面来说，也使得在用笔描迹时的支撑更加平滑和平稳。

值得说明的是，本发明中的插针，方管段和圆管段可以是空心，也可以是实心，都不影响对本发明技术方案的实现。

在方管段的前端形成与待测冰形获取位置模型的型线一直时，为了将插针进行固定，在插针61与插板62之间设置阻尼结构623，例如O型圈，如图2所示，在插板62上设置O型圈槽622，所述O型圈槽622开设在所述插针孔621至少一端的内侧壁上。也就是说，在插针孔的一端设置O型圈槽622或者两端都设置O型圈槽622，将O型圈放置在O型圈槽内，O型圈套设在插针61上。由此，插针在活动方向上具有一定的阻尼，当要调整插针的位置时，需要操作人员稍微用点力推动或抽动插针进行位置调整，调整到位后，由于阻尼结构的阻尼作用，插针位置不会随便移动，从而使得多个方管段的前端围成的线型固定。

作为优选，所述多个插针的长度相同，将多个插针的长度设置为相同，是为了实现在临时增加需要测量的冰形位置时，便于方格纸的剪裁（祥见实施例三）。

实施例二

本实施例涉及一种结冰风洞试验冰形测量方法，采用如实施例一所述的一种结冰风洞试验冰形测量装置，在预先设定好待测冰形位置的情况下，包括以下步骤：

S10. 切割冰形，获得冰形缺口；

切割冰形的方法为本领域熟知，在此不再赘述，也可采用本发明实施例四的冰形切割方法。

S20. 调整多个插针61，使多个方管段611的顶端围成的型线与待测冰形获取位置模型的型线相同；

此时，由于预先设定好了待测冰形的位置，操作人员可以根据模型的型面数据获取待测冰形的位置的型面曲线数据，根据该获取到的型面数据调整插针61的位置，使得测量装置的多个方管段611的顶端围成的型线与待测冰形获取位置模型的型线相同；

S30. 将具有与待测模型型面线型一致的方格纸放置在所述冰形测量装置60上；

同理，由于预先设定好了待测冰形的位置，操作人员可以根据模型的型面数据获取待测冰形的位置的型面曲线数据，根据该获取到的型面曲线数据剪裁方格纸，使得方格纸的缺口型线与待测模型型面线型一致；

S40. 将冰形测量装置60连同方格纸一同插入切好的冰形缺口中，使得方格纸抵接在模型表面，并且方格纸与切割部位积冰上表面紧密贴合；

测量过程中，将方格纸抵接在模型表面，并且紧密贴合切割部位积冰的上表面，可以增加后续描迹过程中描迹的准确性，提高测量积冰冰形的保真度；

S50. 使用笔沿着冰形边缘在方格纸上绘制冰形；由此用笔描出的线型即为试验冰形。

实施例三

本实施例涉及一种结冰风洞试验冰形测量方法，采用如实施例一所述的一种结冰风洞试验冰形测量装置，与实施例二的不同点在于，本实施例中是测量临时增加的测量位置的积冰冰形，或者预先未知待测冰形位置的情况下，包括以下步骤：

S10. 切割冰形，获得冰形缺口；

S20. 调整多个插针61，使多个方管段611的顶端围成的型线与待测冰形获取位置模型的型线相同；

此时，由于预先并不知晓待测冰形获取位置模型的型线，试验时，将冰形测量装置60插入切好的冰形缺口中，调整各插针的插入深度使每根插针的方管段611都与模型表面贴合，此时，测量装置的多个方管段611的顶端围成的型线就是待测冰形获取位置模型的型线；由此得到了一个适合用于测量该位置冰形的支撑装置；

S30. 将具有与待测模型型面线型一致的方格纸放置在所述冰形测量装置60上；

S301. 将冰形测量装置60插入切好的冰形缺口中，调整各插针的插入深度，使每根插针的方管段611都与模型表面贴合；实际上，这一步与步骤S20中获取待测冰形获取位置模型的型线的方法一致，实际操作过程中，这两步可以合并为一步；

S302. 将方格纸铺在所述冰形测量装置60的圆管段612上，使方格纸的一端抵在所述插板62上；

当调整好插针位置使每根插针的方管段611都与模型表面贴合后，由于每根插针的长度都相同，方管段前端与圆管段后端形成的型线一致，为了便于方格纸的剪裁，将方格纸铺在圆管段上，采用剪裁装置沿着测量装置60的圆管段612的边沿剪裁方格纸，剪裁后的方格纸具有与待测模型型面线型一致的缺口；

S40. 将冰形测量装置60连同方格纸一同插入切好的冰形缺口中，使得方格纸抵接在模型表面，并且方格纸与切割部位积冰上表面紧密贴合；

测量过程中，将方格纸抵接在模型表面，并且紧密贴合切割部位积冰的上表面，可以增加后续描迹过程中描迹的准确性，提高测量积冰冰形的保真度；

S50. 使用笔沿着冰形边缘在方格纸上绘制冰形；由此用笔描出的线型即为试验冰形。

实施例四

本发明的试验冰形测量装置还可以搭载在冰形切割装置上使用，如图3所示。

本实施例中的冰形切割装置，包括支撑架、Y轴滑动装置30、X轴滑动装置20、Z轴滑动装置和切割刀具40；Y轴滑动装置30固定在支撑架上，Y轴滑动装置30包括至少两根Y轴光轴31和Y轴滑块32，Y轴滑块32在Y轴光轴31上滑动；

Y轴滑块32上固定安装热管刀42，切割刀具40包括电涡流加热器41和热管刀42，热管刀42可拆卸连接在加热器41上。其中，可拆卸连接即需要使用热管刀时将该热管刀插接到加热器上，不使用时可以将热管刀拆卸下来。

值得说明的是，Y轴滑动装置和Y轴滑块都是沿Y轴设置，与下文的X轴、Z轴相互垂直；本实施例采用两根Y轴光轴31穿过Y轴滑块是为了将Y轴滑块固定在XY平面内，从而保证其上固定的热管刀42也能位于XY平面内，作为优选，热管刀42与X轴光轴21平行。

本实施例的热管刀采用常规的热管刀具即可；由于热管刀为热管结构，其尺寸小、传热效率高，切割时对切割位置相邻区域的积冰影响小。

电涡流加热方式的功率密度大，加热速度快，温度控制灵活。通过控制电涡流加热器的功率可以在切割时根据切割部位积冰情况，实时调整热刀温度，确保最优切割效果。

还包括冷却装置50，冷却装置50设置在切割刀具40周围，冷却装置50包括软管和喷头，喷头连接在软管的前端，软管的后端可连接到冷却介质存储装置。

冷却介质优选采用氮气，一方面可以对切割相邻部位的积冰进行冷却，另一方面将少量已经融化的水吹走。

支撑架包括底座01、左右两个立柱02，水平连接杆03；左右立柱02垂直固定在底座01上，在左右立柱02之间横向固定设置水平连接杆。为了能够将支撑架固定在试验位置，优选将底座01设置为磁力底座，磁力底座通过磁吸力固定在模型前缘风洞下壁板上。

Z轴滑动装置包括螺杆11，螺杆滑轮座12，左右线轨13，左右Z轴滑块14，手轮15；线轨13设置在立柱02上，Z轴滑块14在线轨13上滑动，左右Z轴滑块14之间设置水平连接板，水平连接板上开设螺纹孔，螺杆11的一端螺旋连接螺杆滑轮座12，另一端与螺纹孔螺旋连接，手轮15与螺杆滑轮座12连接，使得手轮15转动时，通过螺杆滑轮座传动，带动螺杆11转动，螺杆11转动使得与其螺旋连接的连接板垂直上下运动，从而带动Z轴滑块上下移动，最终实现带动其上固定的热管刀和冷却装置上下移动的功能，如此，热管刀和冷却装置可以在Z轴方向调整位置，以实现对不同高度位置的积冰的切割。

本领域技术人员可以理解，通过图3可以看出，“左右”两字应理解为具有两个，并且具有一定的对应关系，即左侧的线轨设置在左侧的立柱上，左侧的Z轴滑块在左侧的线轨上滑动；同理，右侧的线轨设置在右侧的立柱上，右侧的Z轴滑块在右侧的线轨上滑动，后文的“左右”也应理解为相同的含义。

使用时，热管刀42在沿Y轴方向移动切割积冰时，需要使得热管刀的一端抵接在模型表面，从而保证切割时将积冰完全切透。X轴滑动装置20是为了保证热管刀抵接在模型表面。X轴滑动装置20包括左右X轴光轴21，左右X轴滑块22，左右挡块以及左右预紧力弹簧23；X轴光轴21的一端垂直于立柱02并固定在Z轴滑块14上，另一端固定连接挡块；X轴滑块22在X轴光轴21上滑动，预紧力弹簧23套设在X轴光轴21上，并置于Z轴滑块14和X轴滑块22之间；Y轴光轴31固定连接在左右X轴滑块22之间。本实施例中，左右两侧各设置有两个X轴滑块22，每一个滑块分别与一根X轴光轴的一端固定连接。

由此，预紧力弹簧23始终通过对X轴滑块施加推力的方式将热管刀42抵接在模型表面，使得切割无盲区、无残留，从而为冰形测量的准确性提供保障。

本实施例中将测量装置60通过插板支架63可拆卸连接在Y轴滑块32上，当不使用测量装置时，可以直接将测量装置取下，需要使用时再将其安装上。当然，本实施方式中的冰形切割装置的支架，也可用于作为本发明中的冰形测量装置的支架，例如，将热管刀42取下来，整个支架都可直接用作冰形测量装置的支架，可实现XYZ三个方向的自由移动。

本实施例中，冰形切割装置和测量装置配合使用，方法如下：

S60. 试验准备

S601. 将所述结冰风洞试验冰形切割装置固定于模型前缘，将磁力底座通过磁吸力固定在模型前缘风洞下的壁板上；移动Y轴滑块32，将Y轴滑块32移动至Y轴光轴31的一侧；

S602. 安装热管刀42和测量装置60；

将测量装置60上的所有插针都朝向远离试验模型的方向剥离，以避免插针61对热管刀切割冰形的干涉；

S70. 切割冰形

S701. 转动手轮15，调整切割刀具40所在的垂直高度，使热管刀42位于所需冰形获取位置的同一水平高度并锁定；

开启所述加热器41加热所述热管刀42，使所述热管刀42达到设定温度；

S702. 开启冷却装置50，手动调整冷却介质吹扫角度和流量至合适角度和合适流量；

步骤S30和S40中，热管刀的设定温度、冷却介质（如氮气）的吹扫角度和流量都根据本领域技术人员的经验进行设置；

S703. 缓慢移动热管刀42，使得热管刀42沿Y轴方向移动，并且热管刀42的顶端抵接在模型表面；同时，冷却介质同步吹拂冷却切割相邻部位积冰；

S704. 持续移动热管刀42和冷却装置50直至积冰的该截面积冰完全切割，完成1个冰形切割。

S80. 冰形测量

S801. 取下热管刀42；

S802. 调整多个插针61，使多个方管段611的顶端围成的型线与待测冰形获取位置模型的型线相同；具体方法如实施例二或实施例三中的方法相同；

S803. 转动手轮15，调整测量装置60所在的垂直高度，使测量装置60的插针61位于所需冰形获取位置的同一水平高度并锁定；

移动Y轴滑块32，将Y轴滑块32移动至待测冰形的正中位置;

S804. 将具有与待测模型型面线型一致的方格纸放置在所述冰形测量装置60上；

S805. 将冰形测量装置60连同方格纸一同插入切好的冰形缺口中，使得方格纸抵接在模型表面，并且方格纸与切割部位积冰上表面紧密贴合；

测量过程中，将方格纸抵接在模型表面，并且紧密贴合切割部位积冰的上表面，可以增加后续描迹过程中描迹的准确性，提高测量积冰冰形的保真度；

S90. 使用笔沿着冰形边缘在方格纸上绘制冰形；由此用笔描出的线型即为试验冰形。

本实施例中，测量装置60可以在切割冰形前安装在Y轴滑块上，也可以在切割完冰形后安装在Y轴滑块上，对实验结果并无影响；本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。当然，在切割冰形前就将测量装置安装在Y轴滑块上，减少了切割冰形和测量冰形之间的时间，更有利于测量冰形的准确性，提高测量冰形的保真度。

本实施例中，测量装置可以配合冰形切割装置进行使用，由于测量装置为插针设置，在未使用测量装置时可以将插针全部推到远离试验模型的一侧，避免了测量装置对冰型切割装置的干扰，使用时再调整插针的位置，即能顺利完成测量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种结冰风洞试验冰形测量装置，其特征在于，包括插板（62）和多个插针（61）；

所述插针（61）包括相互固定连接的方管段（611）和圆管段（612）；

所述插板（62）上并列设置多个插针孔（621），所述插针（61）的圆管段（612）穿过所述插针孔（621）并且可在所述插针孔（621）内滑动；

多个所述插针（61）的所述方管段（611）位于所述插板（62）的同一侧；

所述方管段（611）的上平面与所述插板（62）的上表面共面。

2.根据权利要求1所述的结冰风洞试验冰形测量装置，其特征在于，所述插针（61）与插板（62）之间设置有阻尼结构（623）。

3.根据权利要求2所述的结冰风洞试验冰形测量装置，其特征在于，所述阻尼结构为O型圈。

4.根据权利要求3所述的结冰风洞试验冰形测量装置，其特征在于，所述插板（62）上还设置有O型圈槽（622），所述O型圈槽（622）开设在所述插针孔（621）至少一端的内侧壁上。

5.根据权利要求4所述的结冰风洞试验冰形测量装置，其特征在于，所述多个插针的长度相同。

6.一种结冰风洞试验冰形测量方法，其特征在于，采用如权利要求5所述的一种结冰风洞试验冰形测量装置，具体包括以下步骤：

S10. 切割冰形，获得冰形缺口；

S20. 调整多个插针（61），使多个方管段（611）的顶端围成的型线与待测冰形获取位置模型的型线相同；

S30. 将具有与待测模型型面线型一致的方格纸放置在所述冰形测量装置（60）上；

S40. 将冰形测量装置（60）连同方格纸一同插入切好的冰形缺口中，将方格纸抵接在模型表面，并且方格纸与切割部位积冰上表面紧密贴合；

S50. 使用笔沿着冰形边缘在方格纸上绘制冰形。

7.根据权利要求6所述的一种结冰风洞试验冰形测量方法，其特征在于，步骤S20中，当已知待测冰形获取位置模型的型线时，所述多个插针（61）的顶端围成的型线根据已知的待测冰形获取位置模型的型线确定。

8.根据权利要求6所述的一种结冰风洞试验冰形测量方法，其特征在于，步骤S20中，当未知待测冰形获取位置模型的型线时，将冰形测量装置（60）插入切好的冰形缺口中，调整各插针的插入深度使每根插针的方管段（611）都与模型表面贴合。

9.根据权利要求6所述的一种结冰风洞试验冰形测量方法，其特征在于，步骤S30中，当已知待测冰形获取位置模型的型线时，根据已知的待测冰形获取位置模型的型线剪裁所述方格纸。

10.根据权利要求6所述的一种结冰风洞试验冰形测量方法，其特征在于，步骤S30中，当未知待测冰形获取位置模型的型线时，按照如下方法剪裁方格纸：

S301. 将冰形测量装置（60）插入切好的冰形缺口中，调整各插针的插入深度，使每根插针的方管段（611）都与模型表面贴合；

S302. 将方格纸铺在所述冰形测量装置（60）的圆管段（612）上，使方格纸的一端抵在所述插板（62）上；

S303. 采用剪裁装置沿着测量装置（60）的圆管段（612）的边沿剪裁所述方格纸。

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