CN114021280B - 一种用于风洞俯仰动导数试验的位移元件及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于风洞俯仰动导数试验的位移元件及其设计方法。位移元件的主体为方柱体，两端设置有与动导数天平固定连接的安装接口，中心位置设置有由若干长条板型的相互交叉的测量梁组成的交叉梁；设计方法首先获取与位移元件配合使用的动导数天平最大直径；计算交叉梁长度、交叉梁理论厚度、交叉梁等效厚度；根据约束条件，计算单个测量梁宽度；创建位移元件三维模型，通过计算测量梁的应变值；计算位移元件的交叉梁设计厚度；根据交叉梁设计厚度重构位移元件，验证位移元件的交叉梁是否满足刚度、强度要求，反复迭代直至满足刚度、强度要求为止；最终确定交叉梁长度、交叉梁设计厚度、交叉梁夹角、单个测量梁宽度、相邻单个测量梁间距。

Description

一种用于风洞俯仰动导数试验的位移元件及其设计方法
技术领域
本发明属于风洞试验技术领域，具体涉及一种用于风洞俯仰动导数试验的位移元件及其设计方法。
背景技术
风洞试验中可采取强迫振动试验技术获取飞行器动导数，强迫振动动导数试验技术的关键技术之一就是要能够精确获取模型在不同时刻的振幅，而交叉梁结构的位移元件能够较为精确的测量模型振幅。目前，交叉梁位移元件的设计比较依赖科研人员的工作经验，明显缺点是设计周期长通常为几天，工作量大，不方便使用者学习掌握。
当前，发展了一种用于风洞俯仰动导数试验的位移元件及其设计方法。
发明内容
本发明所要解决的一个技术问题是提供一种用于风洞俯仰动导数试验的位移元件，本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种用于风洞俯仰动导数试验的位移元件的设计方法。
本发明的用于风洞俯仰动导数试验的位移元件，其特点是，所述的位移元件的主体为方柱体；位移元件的两端设置有安装接口，位移元件通过安装接口与动导数天平固定连接；方柱体的中心位置设置有交叉梁；
交叉梁由若干长条板型的相互交叉的测量梁组成，包括横穿方柱体中心、位于第一、三象限的测量梁和位于第二、四象限的测量梁；测量梁的中心位置设置有用于粘贴测量元件的平台；
假设动导数天平的最大直径为D，交叉梁长度L范围为0.6D～0.75D；交叉梁夹角φ范围为50°～70°；交叉梁设计厚度h；相邻单个测量梁的间距δ相同，δ≥0.5mm；
单个测量梁宽度bm(m＝1，2，3...)，bm≥5mm；其中位于第一、三象限的测量梁宽度为b2i(i＝1，2，3...)；位于第二、四象限的测量梁宽度为b2j+1(j＝0，1，2...)，两者的等效宽度相等，即：
Figure BDA0003343906910000021
所述的交叉梁长度L、交叉梁设计厚度h、交叉梁夹角φ、单个测量梁宽度bm和相邻单个测量梁间距δ满足风洞试验的刚度、强度的指标要求。
本发明的用于风洞俯仰动导数试验的位移元件的设计方法，包括以下步骤：
a.根据风洞俯仰动导数试验条件限制，先得到与位移元件配合使用的动导数天平的最大直径D，交叉梁长度L取经验值0.6D～0.75D；
b.再根据位移元件最大偏角θ和交叉梁长度L；求解在目标应变ε目标条件下的交叉梁理论厚度h0，计算公式为：
Figure BDA0003343906910000022
其中，风洞俯仰动导数试验中的目标应变ε目标-450×10-6，最大偏转角θ≈1°；
c.根据交叉梁能够承受的最大弯矩M，计算得到交叉梁等效厚度b和，计算公式为：
Figure BDA0003343906910000023
在交叉梁材料为F141的情况下，弹性模型E＝1.8725×1011N/m2，弯矩修正因子K＝2；
d.根据交叉梁的等效宽度b和，计算得到单个测量梁宽度bm(m＝1，2，3...)，单个测量梁宽度bm≥5mm，满足粘贴应变计要求；相邻单个测量梁间距δ≥0.5mm；位于第一、三象限的测量梁宽度为b2i(i＝1，2，3...)，位于第二、四象限的测量梁宽度为b2j+1(j＝0，1，2...)，要求位于第一、三象限梁等效宽度与位于第二、四象限梁的等效宽度相等，即：
Figure BDA0003343906910000031
e.交叉梁夹角φ取经验值50°～70°；
f.根据位移元件交叉梁长度L、理论厚度h0和单个测量梁宽度bm建立位移元件三维模型，采用CAE软件进行仿真；在取最大偏角θ的初始条件下，计算测量梁的应变值ε仿真，进而计算交叉梁厚度修正因子λ，最后得到交叉梁设计厚度h，计算公式为：
Figure BDA0003343906910000032
Figure BDA0003343906910000033
g.根据上述交叉梁设计厚度h重构三维模型，采用CAE软件进行仿真，复核位移元件是否满足刚度、强度的指标要求，如果达不到指标要求，则改变交叉梁长度L，重新计算交叉梁设计厚度h，直到得到符合指标要求的结果；
h.得到风洞俯仰动导数试验所需的位移元件设计参数，包括交叉梁长度L、交叉梁设计厚度h、交叉梁夹角φ、单个测量梁宽度bm和相邻单个测量梁间距δ。
本发明的用于风洞俯仰动导数试验的位移元件结构简单、可靠。
本发明的用于风洞俯仰动导数试验的位移元件的设计方法，具有以下优点：
1.对科研人员工作经验依赖较小，能够让使用者快速掌握并应用；
2.设计过程简单、易实现、效率高；
3.设计周期缩短至几个小时，节省资源，避免浪费。
本发明的用于风洞俯仰动导数试验的位移元件及其设计方法具有工程实用价值，能够推广到工程实践中，拓展动导数天平的试验能力。
附图说明
图1为本发明的用于风洞俯仰动导数试验的位移元件的结构示意图；
图2为本发明的用于风洞俯仰动导数试验的位移元件在不同象限的测量梁示意图；
图3为本发明的用于风洞俯仰动导数试验的位移元件的设计方法的流程图；
图4为本发明的用于风洞俯仰动导数试验的位移元件的设计方法获得的仿真结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明。
如图1、图2所示，本发明的用于风洞俯仰动导数试验的位移元件的主体为方柱体；位移元件的两端设置有安装接口，位移元件通过安装接口与动导数天平固定连接；方柱体的中心位置设置有交叉梁；
交叉梁由若干长条板型的相互交叉的测量梁组成，包括横穿方柱体中心、位于第一、三象限的测量梁和位于第二、四象限的测量梁；测量梁的中心位置设置有用于粘贴测量元件的平台；
假设动导数天平的最大直径为D，交叉梁长度L范围为0.6D～0.75D；交叉梁夹角φ范围为50°～70°；交叉梁设计厚度h；相邻单个测量梁的间距δ相同，δ≥0.5mm；
单个测量梁宽度bm(m＝1，2，3...)，bm≥5mm；其中位于第一、三象限的测量梁宽度为b2i(i＝1，2，3...)；位于第二、四象限的测量梁宽度为b2j+1(j＝0，1，2...)，两者的等效宽度相等，即：
Figure BDA0003343906910000051
所述的交叉梁长度L、交叉梁设计厚度h、交叉梁夹角φ、单个测量梁宽度bm和相邻单个测量梁间距δ满足风洞试验的刚度、强度的指标要求。
如图3所示，本发明的用于风洞俯仰动导数试验的位移元件的设计方法，包括以下步骤：
a.根据风洞俯仰动导数试验条件限制，先得到与位移元件配合使用的动导数天平的最大直径D，交叉梁长度L取经验值0.6D～0.75D；
b.再根据位移元件最大偏角θ和交叉梁长度L；求解在目标应变ε目标条件下的交叉梁理论厚度h0，计算公式为：
Figure BDA0003343906910000052
其中，风洞俯仰动导数试验中的目标应变ε目标-450×10-6，最大偏转角θ≈1°；
c.根据交叉梁能够承受的最大弯矩M，计算得到交叉梁等效厚度b和，计算公式为：
Figure BDA0003343906910000053
在交叉梁材料为F141的情况下，弹性模型E＝1.8725×1011N/m2，弯矩修正因子K＝2；
d.根据交叉梁的等效宽度b和，计算得到单个测量梁宽度bm(m＝1，2，3...)，单个测量梁宽度bm≥5mm，满足粘贴应变计要求；相邻单个测量梁间距δ≥0.5mm；位于第一、三象限的测量梁宽度为b2i(i＝1，2，3...)，位于第二、四象限的测量梁宽度为b2j+1(j＝0，1，2...)，要求位于第一、三象限梁等效宽度与位于第二、四象限梁的等效宽度相等，即：
Figure BDA0003343906910000061
e.交叉梁夹角φ取经验值50°～70°；
f.根据位移元件交叉梁长度L、理论厚度h0和单个测量梁宽度bm建立位移元件三维模型，采用CAE软件进行仿真；在取最大偏角θ的初始条件下，计算测量梁的应变值ε仿真，进而计算交叉梁厚度修正因子λ，最后得到交叉梁设计厚度h，计算公式为：
Figure BDA0003343906910000062
Figure BDA0003343906910000063
g.根据上述交叉梁设计厚度h重构三维模型，采用CAE软件进行仿真，复核位移元件是否满足刚度、强度的指标要求，如果达不到指标要求，则改变交叉梁长度L，重新计算交叉梁设计厚度h，直到得到符合指标要求的结果；
h.得到风洞俯仰动导数试验所需的位移元件设计参数，包括交叉梁长度L、交叉梁设计厚度h、交叉梁夹角φ、单个测量梁宽度bm和相邻单个测量梁间距δ。
实施例1
本实施例采用本发明的用于风洞俯仰动导数试验的位移元件的设计方法，完成了如图4所示的位移元件的设计。该位移元件的具体参数如下：
最大直径D＝66mm；交叉梁长度L＝50mm；交叉梁夹角φ＝50°；振幅θ＝0.8°；相邻单个测量梁间距δ＝1.0mm；测量梁厚度b1＝b5＝7mm，b2＝b3＝b4＝14mm；交叉梁设计厚度h＝8mm；测量梁的应变值ε仿真≈453×10-6。图4中的EPSX表示沿X方向的应变量，应变量满足试验要求。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，在不脱离本发明原理的前提下，可容易地实现另外的改进和润饰，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (2)

1.用于风洞俯仰动导数试验的位移元件设计方法，其特征在于，所述的位移元件的主体为方柱体；位移元件的两端设置有安装接口，位移元件通过安装接口与动导数天平固定连接；方柱体的中心位置设置有交叉梁；
交叉梁由若干长条板型的相互交叉的测量梁组成，包括横穿方柱体中心、位于第一、三象限的测量梁和位于第二、四象限的测量梁；测量梁的中心位置设置有用于粘贴测量元件的平台；
交叉梁长度、交叉梁设计厚度、交叉梁夹角、单个测量梁宽度和相邻单个测量梁间距满足风洞试验的刚度、强度的指标要求；
所述的设计方法包括以下步骤：
a.根据风洞俯仰动导数试验条件限制，先得到与位移元件配合使用的动导数天平的最大直径，交叉梁长度取经验值；
b.再根据位移元件最大偏角和交叉梁长度；求解在目标应变条件下的交叉梁理论厚度，计算公式为：
；
其中，风洞俯仰动导数试验中的目标应变，最大偏转角；
c.根据交叉梁能够承受的最大弯矩，计算得到交叉梁等效厚度，计算公式为：
；
在交叉梁材料为F141的情况下，弹性模型，弯矩修正因子；
d.根据交叉梁的等效宽度，计算得到单个测量梁宽度，单个测量梁宽度，满足粘贴应变计要求；相邻单个测量梁的间距相同，相邻单个测量梁间距；位于第一、三象限的测量梁宽度为，位于第二、四象限的测量梁宽度为，要求位于第一、三象限梁等效宽度与位于第二、四象限梁的等效宽度相等，即：
；
e.交叉梁夹角取经验值50°～70°；
f.根据位移元件交叉梁长度、理论厚度和单个测量梁宽度建立位移元件三维模型，采用CAE软件进行仿真；在取最大偏角的初始条件下，计算测量梁的应变值，进而计算交叉梁厚度修正因子，最后得到交叉梁设计厚度，计算公式为：
；
g.根据上述交叉梁设计厚度重构三维模型，采用CAE软件进行仿真，复核位移元件是否满足刚度、强度的指标要求，如果达不到指标要求，则改变交叉梁长度，重新计算交叉梁设计厚度，直到得到符合指标要求的结果；
h.得到风洞俯仰动导数试验所需的位移元件设计参数，包括交叉梁长度、交叉梁设计厚度、交叉梁夹角、单个测量梁宽度和相邻单个测量梁间距。
2.采用权利要求1所述的用于风洞俯仰动导数试验的位移元件设计方法的位移元件。
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