CN113504026A - 一种基于音爆试验技术的风洞试验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于音爆试验技术的风洞试验装置，包括外式天平、参试模型、支撑装置和用于连接支撑装置的迎角支架，所述外式天平为嵌套式结构，包括采用单柱悬臂矩形梁结构的前端力矩元件和采用两组相互垂直的多柱矩形梁元件结构的后端力元件，所述支撑装置包括位置调节装置、连接到位置调节装置上的支杆、与支杆端部同轴连接的转接支杆，转接支杆的另一端与外式天平连接，外式天平与参试模型连接；本发明的外式天平，超出了传统天平力和力矩载荷比范围，其结构突破了采用传统内式天平以及单独支撑机构进行试验的支撑方式，首次应用在实现音爆试验技术的风洞试验，三是具有良好的实用性和推广价值。

Description

一种基于音爆试验技术的风洞试验装置
技术领域
本发明涉及风洞试验领域，具体涉及到一种基于音爆试验技术的风洞试验装置，适用于音爆测量风洞试验，用于实现各迎角范围及不同相对位置试验状态的支撑及风洞试验测量。
背景技术
目前，音爆风洞试验技术的难度很大，主要面临着五大关键技术难题包括高保真度模型加工、高精度测试系统构建、风洞流场畸变影响削减、支撑干扰和边界层影响最小化等。音爆风洞试验技术60多年的发展之路就是逐步攻克上述技术难题的艰辛历程，国外经过多年研究以及试验，积累了丰富的经验，已经发展了音爆信号单点测量、多点测量和大规模测量三代测试技术，具备了传统音爆和低音爆的风洞试验技术；而国内对于音爆的研究不多，研究工作的系统性不强，且主要集中在音爆信号的预测和概念设计方面，在低音爆设计和试验方面的研究深度和广度都远远不足。特别对于超声速飞机低音爆设计方面，几乎没有关于重量、平衡以及低速起飞等方面的考虑，更缺乏飞行验证，设计的可靠性有待验证；其音爆试验技术尚未成熟，不管风洞试验、飞行试验测试都处于探索和攻关阶段，还没有形成可靠的试验平台。
发明内容
本发明为了获取超声速飞行器模型的音爆数据，提供了一种基于音爆试验技术的风洞试验装置，用于实现超声速飞行器音爆风洞测量试验。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于音爆试验技术的风洞试验装置，包括外式天平、参试模型、支撑装置和用于连接支撑装置的迎角支架，
所述外式天平为嵌套式结构，包括采用单柱悬臂矩形梁结构的前端力矩元件和采用两组相互垂直的多柱矩形梁元件结构的后端力元件，所述支撑装置包括位置调节装置、连接到位置调节装置上的支杆、与支杆端部同轴连接的转接支杆，转接支杆的另一端与外式天平连接，外式天平与参试模型连接；
所述支杆与位置调节装置之间设置有定位连接块用于调整参试模型的滚转角度，所述支杆与转接支杆的轴向连接用于调整参试模型的轴向安装位置，所述支杆连接在位置调节装置上的不同位置用于调整参试模型的法向安装位置；
整个试验装置设置在风洞中，所述参试模型的重心距与迎角机构直接头轴线为592-596mm，所述参试模型的头部距离迎角支架前缘距离为3590-3610mm。
在上述技术方案中，所述转接支杆为能够更换的部件。
在上述技术方案中，所述外式天平和支杆上分别设置有能够取下的基准平台。
在上述技术方案中，所述外式天平设置在保护套内，所述外式天平的后端设置有螺纹用于与保护套连接，保护套前端伸入参试模型固定端接口，且保护套的前端均不与参试模型和天平接触。
在上述技术方案中，所述位置调节装置的端面上沿着轴向设置有多个连接孔，所述支杆的一端插入其中一个连接孔内与位置调节装置连接。
在上述技术方案中，所述支杆上设置有若干连接孔，所述连接孔上连接有定位连接块，与位置调节装置的连接孔相邻处设置有定位孔，定位连接块的一端与定位孔相匹配。
在上述技术方案中，所述支杆与位置调节装置的连接的端面上设置有整流罩。
在上述技术方案中，所述整流罩分为若干段，每一段能够独立的从位置调节装置端面上取下。
在上述技术方案中，所述位置调整装置的侧面上设置有若干个贯通的通孔。
本发明的工作原理是：在天平设计方面，首先采用“嵌套式”设计思想，将天平的力和力矩元件分段设计，使之能较好更好的进行载荷匹配，通过载荷及有限元分析合理选择各零部件的结构尺寸，使其强度及刚度满足机构要求，其次还需考虑实际工作过程中对天平元件的保护，使其不直接暴露在空气中；在支撑装置的设计中，重点考虑风洞试验的可实现性及可操作性，通过“分段+组合”的方式，使模型通过天平、支撑杆和支撑装置与风洞迎角支架相连接。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
一是研制了用于进行音爆试验技术的外式天平，超出了传统天平的力和力矩载荷比范围（15：1～20:1），为今后此类天平的设计提供新思路；
二是发展了“拼接”的机构设计思想，突破了采用传统内式天平以及单独支撑机构进行试验的支撑方式，首次实现音爆试验技术的风洞试验；
三是具有良好的实用性和推广价值，为构建超声速飞行器低音爆气动布局设计及优化平台打下基础，为我国超声速飞行器研究及其超声速巡航区域规划提供技术支撑。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1a是本发明前段的结构示意图；
图1b是本发明中段的结构示意图；
图1c是本发明后段的结构示意图；
图2是本发明的连接示意图；
图3是角度调整机构的连接示意图；
图4是外式天平的结构示意图；
其中：1是高度调节装置，2是天平元件，3是支杆，4是转接支杆，5是基准平台，6是保护套，7是转接头，A和B是高度调节装置上用于连接天平支杆的位置，8是基准平台，9是整流罩，10是定位连接块。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
如图1a、图1b、图1c 所示，是本实施例的整体结构示意图，其核心部件外式天平、参试模型和支撑装置三部分组成，将上述三部分组合后实现参试模型在不同迎角范围及相对位置的风洞试验；其其设计载荷：法向力Y分量为1000N；俯仰力矩Mz分量为125N*m；滚转力矩Mx分量为80N*m；侧向力Z分量为800N；偏航力矩My分量为95N*m（力矩参考点为天平的力矩元件几何中心附近，该天平载荷匹配为8：1，远超常规天平15：1～20：1的范围）。
在本实施例中，支撑装置包括高度调节装置1、支杆3、转接支杆4和转接头7。其中转接头7一端用于与迎角支架固定连接，起到支撑固定的作用，而转接头7的另一端用于固定连接高度调节装置1。
高度调节装置1沿着外式天平2的轴向方向设置有若干个连接孔，连接孔用于固定连接支杆3。在本实施例中，高度调节装置1上设置有用于连接天平支杆的位置A、B，支杆3可以连接在A和B的任一一处，从而可以调整支杆3在风洞中的法向安装位置。
为了减弱在风洞试验中横向载荷对整个支撑装置的冲击，根据流固耦合问题的NS方程数值解法，在高度调节装置侧面设置有若干个通孔。
如图3所示，为了调整支杆3的滚转角度，在支杆3上设置有若干个连接孔，连接孔上连接有定位连接块10，定位连接块10上设置有凸出部，而与凸出部位置相互匹配的高度调节装置1的侧面上设置有定位孔。通过改变定位连接块10连接在支杆3上的不同连接孔，从而可以改变支杆3相对于高度调节装置1的滚转角度。
在本实施例中，在支杆3与天平元件2之间连接有转接支杆4，转接支杆4的长度是可调的，通过转接支杆4的连接，可以调节被测模型在风洞中的轴向安装位置。
如图2所示，在本实施例中，为了减小气流对整个高度调节装置1的冲击影响，在连接支杆3和高度调节装置1之间设置有整流罩9，整流罩9采用分段式的设计，每一个整流罩9可以单独取下，方便支杆3的安装连接。
如图4所示，本实施例中的天平元件2采用嵌套组合的方式设计，天平元件最大直径为92mm，长度为750mm，前端力矩元件采用单柱悬臂矩形梁结构，用于测量Mz、Mx、My三个分量；后端力元件采用两组相互垂直的多柱矩形梁元件结构，其中心梁分别用于测量Y、Z二个分量。本实施例这种优化后的天平元件，具有结构紧凑、刚度大、相互干扰小、机加工工艺性好等优点。天平在使用过程中，为了避免天平直接暴露在流场中，在外式天平后端设置螺纹用以连接保护套6，保护套6的前端伸入模型固定端接口位置，保护套6的前端既不与天平接触，也不与模型的固定端接触，同时可以确保气流不会从保护套6的前端进入内部，从而影响天平的测量。
在本实施例中，天为了确保各个部件精准测量，在支杆3和天平元件2上分别设置有基准平台8、5，通过基准平台8和基准平台5相互之间进行基准面的确定，实现彼此监测，相互校正的目的。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (9)

1.一种基于音爆试验技术的风洞试验装置，其特征在于包括外式天平、参试模型、支撑装置和用于连接支撑装置的迎角支架，
所述外式天平为嵌套式结构，包括采用单柱悬臂矩形梁结构的前端力矩元件和采用两组相互垂直的多柱矩形梁元件结构的后端力元件，所述支撑装置包括位置调节装置、连接到位置调节装置上的支杆、与支杆端部同轴连接的转接支杆，转接支杆的另一端与外式天平连接，外式天平与参试模型连接；
所述支杆与位置调节装置之间设置有定位连接块用于调整参试模型的滚转角度，所述支杆与转接支杆的轴向连接用于调整参试模型的轴向安装位置，所述支杆连接在位置调节装置上的不同位置用于调整参试模型的法向安装位置；
整个试验装置设置在风洞中，所述参试模型的重心距与迎角机构直接头轴线为592-596mm，所述参试模型的头部距离迎角支架前缘距离为3590-3610mm。
2.根据权利要求1所述的一种基于音爆试验技术的风洞试验装置，其特征在于所述转接支杆为能够更换的部件。
3.根据权利要求1所述的一种基于音爆试验技术的风洞试验装置，其特征在于所述外式天平和支杆上分别设置有能够取下的基准平台。
4.根据权利要求1所述的一种基于音爆试验技术的风洞试验装置，其特征在于所述外式天平设置在保护套内，所述外式天平的后端设置有螺纹用于与保护套连接，保护套前端伸入参试模型固定端接口，且保护套的前端均不与参试模型和天平接触。
5.根据权利要求1所述的一种基于音爆试验技术的风洞试验装置，其特征在于所述位置调节装置的端面上沿着轴向设置有多个连接孔，所述支杆的一端插入其中一个连接孔内与位置调节装置连接。
6.根据权利要求5所述的一种基于音爆试验技术的风洞试验装置，其特征在于所述支杆上设置有若干连接孔，所述连接孔上连接有定位连接块，与位置调节装置的连接孔相邻处设置有定位孔，定位连接块的一端与定位孔相匹配。
7.根据权利要求6所述的一种基于音爆试验技术的风洞试验装置，其特征在于所述支杆与位置调节装置连接的端面上设置有整流罩。
8.根据权利要求7所述的一种基于音爆试验技术的风洞试验装置，其特征在于所述整流罩分为若干段，每一段能够独立的从位置调节装置端面上取下。
9.根据权利要求4所述的一种基于音爆试验技术的风洞试验装置，其特征在于所述位置调整装置的侧面上设置有若干个贯通的通孔。
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