CN114646451A - 一种双固支部件天平 - Google Patents

Abstract

本发明属于多分量空气动力载荷测量传感器技术领域，公开了一种双固支部件天平。本发明的双固支部件天平为钢件组合结构，左耳片和右耳片位于钢件组合结构的左、右两端，元件位于中段；元件由从左至右顺序连接的左固定端、左测量段、左过渡段、自由端、右过渡段、右测量段和右固定端组成。作用在飞行器模型上的气动力通过设置在上述两个测量段上的电阻应变计转换为电压信号，将电压信号进行数据处理后得到所需的气动力和力矩。本发明的双固支部件天平在满足天平强度、刚度及各分量灵敏度的前提下，确保了各分量的灵敏度加载精准度，实现了在高速风洞中利用双固支部件天平进行风洞测力试验时飞行器模型被测部件承受的气动载荷的精确测量。

Description

一种双固支部件天平

技术领域

本发明属于多分量空气动力载荷测量传感器技术领域，具体涉及一种双固支部件天平。

背景技术

在高速风洞试验有缩比模型部件测力试验中，目前大多采用单固支的部件天平，即部件天平一端固定。随着高速风洞尺寸增大，为了减小缩比模型的测量误差，提高飞行器模型的测量不确定度，提出了全尺寸试验模型的风洞试验。当前发展的飞行器模型部件测力具有全尺寸、双固定支撑、固定端跨度大、被测部件截面异型且截面积小的特点。在高速风洞试验中为了准确测量飞行器模型被测双固支部件的空气动力载荷，必须解决天平灵敏度低、测力精准度低的问题，需要研制高精准度的双固支部件天平。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种双固支部件天平。

本发明的双固支部件天平，其特点是，所述的双固支部件天平为钢件组合结构，左耳片和右耳片位于钢件组合结构的左、右两端，元件位于中段；

元件由从左至右顺序连接的左固定端、左测量段、左过渡段、自由端、右过渡段、右测量段、右固定端组成；元件的左固定端通过左铰链安装在左耳片的上部，元件的右固定端通过右铰链安装在右耳片的上部；左固定端与左耳片之间、右固定端与右耳片之间均设置有缝隙；

自由端的上部设置有水平的基准面Ⅰ，基准面Ⅰ设置有销孔和螺钉孔，基准面Ⅰ通过销孔采用销定位、通过螺钉孔采用螺钉拉紧的方式与飞行器模型被测部件固定连接；

在左测量段、右测量段上分别设置有用于转换为电压信号的电阻应变计；左测量段、右测量段的电阻应变计对应组合构成轴向力X分量、俯仰力矩Mz分量、侧向力Z分量、滚转力矩Mx分量、偏航力矩My分量的测量装置；右测量段的电阻应变计的导线从右测量段引出，经右过渡段、自由端、左过渡段、左测量段后并入左测量段的电阻应变计的导线，全部导线再经左固定端、左耳片引出双固支部件天平，沿途在左过渡段、自由端、右过渡段上设置引线槽Ⅴ、在左上限位和左固定端上设置引线槽Ⅳ，在左上限位上设置引线槽Ⅲ，在左耳片、左下限位上设置引线槽Ⅱ，在左耳片上设置引线槽Ⅰ；

左耳片和右耳片的上部分别设置有左下限位和右下限位，左固定端和右固定端的侧面下部分别设置有左上限位和右上限位，各限位用于限定元件受力变形引起的铰链转动的极限位置；左耳片和右耳片的上部分别设置有相互对应的1个台阶通孔，左耳片和右耳片的下部分别设置有另1个相互对应的台阶通孔，台阶通孔靠近内侧的通孔内径小于靠近外侧的通孔内径，靠近内侧的通孔为圆柱孔Ⅰ、靠近外侧的通孔为圆柱孔Ⅱ，台阶端面为竖直的基准面Ⅱ；基准面Ⅱ用于定位，圆柱孔Ⅱ通过柱轴与飞行器模型或者校准支杆的固定端固定连接。

进一步地，所述的左上限位、左固定端、左过渡段、右过渡段、右固定端和右上限位的外型相同，均为半圆柱体，半圆柱体的剖面的上部为圆弧、下部为矩形。

进一步地，所述的左测量段和右测量段均为方形体；轴向力X分量、俯仰力矩Mz分量、侧向力Z分量、滚转力矩Mx分量、偏航力矩My分量均采用双电桥，粘贴在右测量段上下两面的电阻应变计组成M1电桥，粘贴在左测量段上下两面的电阻应变计组成M2电桥，粘贴在右测量段前后两面的电阻应变计组成M3电桥，粘贴在左测量段前后两面的电阻应变计组成M4电桥，粘贴在右测量段前后两面中间位置的电阻应变计组成M5电桥，粘贴在左测量段前后两面中间位置的电阻应变计组成M6电桥；

各电桥具有以下公式：

ΔU_X＝ΔU₁+ΔU₂，

ΔU_Z＝ΔU₃+ΔU₄，

其中，ΔU_X为轴向力X分量的受载输出增量，

为俯仰力矩Mz分量的受载输出增量，ΔU_Z为侧向力Z分量的受载输出增量，

为滚转力矩Mx分量的受载输出增量，

为偏航力矩My分量受载输出增量，ΔU₁为M1电桥的受载输出增量，ΔU₂为M2电桥的受载输出增量，ΔU₃为M3电桥的受载输出增量，ΔU₄为M4电桥的受载输出增量，ΔU₅为M5电桥的受载输出增量，ΔU₆为M6电桥的受载输出增量。

本发明的双固支部件天平具有以下特点：

1.两端固定的支撑方式。目前部件天平大多采用单边固定支撑的方式，为了满足试验需求，本发明的双固支部件天平采用的是双边固定支撑的方式。左耳片、右耳片为天平与飞行器模型或校准支杆固定端的连接部位。

2.异型的结构形式。这种结构可以在模型厚度一定的情况下，使天平的设计空间加大。左上限位、左固定端、左过渡段、右过渡段、右固定端、右上限位均为半圆柱体，半圆柱体的剖面的上部为圆弧、下部为矩形，这种结构可以根据飞行器模型外形，在保留模型厚度及变形空间的前提下，增加天平的整体强度和刚度，能够提高双固支部件天平测力的精准度。

3.铰链装置的设置。在左耳片和左固定端之间设置左铰链，在右耳片和右固定端之间设置右铰链。设置铰链可以提高双固支部件天平灵敏度、测力的精准度。相同尺寸、结构的双固支部件天平，设置铰链，轴向力X分量灵敏度提高91％，俯仰力矩Mz分量灵敏度提高69％，侧向力Z分量灵敏度提高80％，滚转力矩Mx分量灵敏度提高78％，而偏航力矩My分量灵敏度比较高，设置铰链对其影响比较小。相同尺寸、结构的双固支部件天平，不设置铰链，固定左耳片、右耳片上方的两个圆柱孔Ⅱ与下方的两个圆柱孔Ⅱ加载误差：轴向力X分量为94％，俯仰力矩Mz分量为4％，侧向力Z分量为21％，滚转力矩Mx分量为6％，偏航力矩My分量为0.01％；设置铰链装置，固定左耳片、右耳片上方的两个圆柱孔Ⅱ与下方的两个圆柱孔Ⅱ加载误差：轴向力X分量为1.7％，俯仰力矩Mz分量为0.28％，侧向力Z分量为1.9％，滚转力矩Mx分量为1％，偏航力矩My分量为0.01％。

4.限位的设置。在左耳片和左固定端之间的左铰链设置左下限位、左上限位，在右耳片和右固定端之间的右铰链设置右上限位、右下限位。本发明的双固支部件天平的截面尺寸相对较小，跨度尺寸相对较大，左铰链和右铰链处强度较弱，根据双固支部件天平的最大变形设计缝隙大小，设置限位，在安装和拆卸双固支部件天平及飞行器模型被测部件时可以保障双固支部件天平本身的安全性。

5.定位及固定方式的选择。在自由端上设置销孔、螺钉孔，销孔内安装定位销可以保障地面校准或风洞试验时双固支部件天平与校准接头或飞行器模型被测部件的准确定位，螺纹孔内安装螺钉可以保证地面校准或风洞试验时双固支部件天平与校准接头或飞行器模型被测部件的可靠连接。左耳片设置的四个圆柱孔Ⅰ、四个圆柱孔Ⅱ、四个基准面Ⅱ，和右耳片上设置的四个圆柱孔Ⅰ、四个圆柱孔Ⅱ、四个基准面Ⅱ，可以保证地面校准或风洞试验时双固支部件天平与校准支杆或飞行器模型支撑件的准确定位和可靠连接。

6.基准面Ⅰ的设置。自由端上设置基准面Ⅰ，基准面Ⅰ与左测量段、右测量段有限定的位置关系，在地面校准或风洞试验时，基准面Ⅰ作为基准，保证双固支部件天平与校准接头或飞行器模型被测部件的安装状态。

7.引线槽的设置。为了将双固支部件天平的引线引出到左耳片位置，同时尽可能加强双固支部件天平的强度和刚度，在左耳片上设置引线槽Ⅰ，在左耳片、左下限位上设置引线槽Ⅱ，在左上限位上设置引线槽Ⅲ，在左上限位和左固定端上设置引线槽Ⅳ，左过渡段、自由端、右过渡段上引线槽Ⅴ，为了减小引线槽Ⅰ、引线槽Ⅱ、引线槽Ⅲ、引线槽Ⅳ、引线槽Ⅴ的空间尺寸，引线选用全部选用漆包线且在左测量段左端面处共用电源线。

8.X、Mz、Z、Mx、My分量均采用双电桥。双固支部件天平轴向距离相对较大，左测量段和右测量段之间的距离大，左测量段、右测量段的应变计分别组桥可以减小风洞试验时温度效应对测量数据的影响，提高双固支部件天平的测量精准度。在设计应变一定的情况下，采用双电桥可以使设计输出提高一倍，可以提高双固支部件天平的测量精准度。

本发明的双固支部件天平在满足天平强度、刚度及各分量灵敏度的前提下，确保了各分量的测量精准度，实现了在高速风洞中利用双固支部件天平进行风洞测力试验时飞行器模型被测部件承受的气动载荷的精确测量。

附图说明

图1是本发明的双固支部件天平的立体图；

图2是本发明的双固支部件天平的主视图；

图3是本发明的双固支部件天平的俯视图；

图4是图2的A-A剖视图；

图5是图2的B-B剖视图；

图6是图2的C-C剖视图；

图7是图4的Ⅰ处(10:1)局部放大图；

图8是本发明的双固支部件天平的应变计粘贴图。

图中，1.左耳片；2.左下限位；3.左铰链；4.左上限位；5.左固定端；6.左测量段；7.左过渡段；8.自由端；9.右过渡段；10.右测量段；11.右固定端；12.右上限位；13.右铰链；14.右下限位；15.右耳片；16.引线槽Ⅰ；17.引线槽Ⅱ；18.引线槽Ⅲ；19.引线槽Ⅳ；20.引线槽Ⅴ；21.销孔；22.螺钉孔；23.基准面Ⅰ；24.圆柱孔Ⅰ；25.圆柱孔Ⅱ；26.基准面Ⅱ；27.缝隙。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

实施例1

本发明的双固支部件天平实施例的设计载荷要求：轴向力X分量为3200N，俯仰力矩Mz分量为200N.m，侧向力Z分量为3500N，滚转力矩Mx分量为250N.m，偏航力矩My分量为90N.m。试验马赫数范围为0.6～1.1，静态校准不确定度优于3％。

从图1、图2中可以看出：本发明的双固支部件天平是钢件组合结构，含有左耳片1、左铰链装置、元件、右铰链装置、右耳片15；左耳片1、左铰链装置、元件、右铰链装置、右耳片15顺序连接，构成双固支部件天平；元件由依次连接的左固定端5、左测量段6、左过渡段7、自由端8、右过渡段9、右测量段10、右固定端11组成；左铰链装置包括左铰链3和左限位装置；右铰链装置包括右铰链13和右限位装置；左限位装置包括左下限位2、左上限位4；右限位装置包括右上限位12、右下限位14；左测量段6、右测量段10组合构成轴向力X分量、俯仰力矩Mz分量、侧向力Z分量、滚转力矩Mx分量、偏航力矩My分量的测量装置；在左测量段6、右测量段10上分别设置有用于转换为电压信号的电阻应变计；自由端8在基准面Ⅰ23部位通过销孔21采用销定位、通过螺钉孔22采用螺钉拉紧的方式与校准接头或飞行器模型被测部件固定连接；左耳片1、右耳片15通过四个圆柱孔Ⅰ24定位、在四个圆柱孔Ⅱ25内通过柱轴与校准支杆或飞行器支撑件固定端固定连接。

从图1、图2、图3、图8中可以看出：本发明的双固支部件天平采用的是双边固定支撑的方式。左耳片1、右耳片15为天平与校准支杆或飞行器支撑件固定端的连接部位。目前部件天平大多采用单边固定支撑的方式，但是对于跨度大、截面小的部件测力试验，单边固定支撑的方式的方式是不能满足需要的。

从图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8中可以看出：本发明的双固支部件天平采用了异型的结构形式。这种结构可以在模型厚度一定的情况下，使天平的设计空间加大。左上限位4、左固定端5、左过渡段7、右过渡段9、右固定端11、右上限位12上部分为圆形结构、下部分为矩形结构，这种结构可以根据飞行器模型外形，在保留模型厚度及变形空间的前提下，增加天平的整体强度和刚度，能够提高双固支部件天平测力的精准度。

从图1、图2、图4、图5、图6、图7、图8中可以看出：在左耳片1和左固定端5之间的左铰链装置设置左铰链3，在右耳片15和右固定端11之间的右铰链装置设置右铰链13。铰链装置的设置可以提高双固支部件天平灵敏度、测力的精准度。相同尺寸、结构的双固支部件天平，设置铰链，轴向力X分量灵敏度提高91％，俯仰力矩Mz分量灵敏度提高69％，侧向力Z分量灵敏度提高80％，滚转力矩Mx分量灵敏度提高78％，而偏航力矩My分量灵敏度比较高，铰链的设置对其影响比较小。相同尺寸、结构的双固支部件天平，不设置铰链，固定左耳片1、右耳片15上方的两个圆柱孔Ⅱ25与下方的两个圆柱孔Ⅱ25加载误差：轴向力X分量为94％，俯仰力矩Mz分量为4％，侧向力Z分量为21％，滚转力矩Mx分量为6％，偏航力矩My分量为0.01％；设置铰链，固定左耳片1、右耳片15上方的两个圆柱孔Ⅱ25与下方的两个圆柱孔Ⅱ25加载误差：轴向力X分量为1.7％，俯仰力矩Mz分量为0.28％，侧向力Z分量为1.9％，滚转力矩Mx分量为1％，偏航力矩My分量为0.01％。

从图1、图2、图4、图5、图6、图7、图8中可以看出：在左耳片1和左固定端5之间的左铰链装置设置左下限位2、左上限位4，在右耳片15和右固定端11之间的右铰链装置设置右上限位12、右下限位14。本发明的双固支部件天平截面尺寸相对较小，跨度尺寸相对较大，左铰链3和右铰链13处强度较弱，根据双固支部件天平的最大变形设计缝隙27大小，设置限位，在安装和拆卸天平及飞行器模型被测部件时可以保障双固支部件天平本身的安全性。

从图1、图2、图3、图4、图6中可以看出：在自由端8上设置销孔21、螺钉孔22，销孔21内安装定位销可以保障地面校准或风洞试验时双固支部件天平与校准接头或飞行器模型被测部件的准确定位，螺纹孔22内安装螺钉可以保证地面校准或风洞试验时双固支部件天平与校准接头或飞行器模型被测部件的可靠连接。左耳片1上设置四个圆柱孔Ⅰ24、四个圆柱孔Ⅱ25、四个基准面Ⅱ26，右耳片15上设置四个圆柱孔Ⅰ24、四个圆柱孔Ⅱ25、四个基准面Ⅱ26可以保证地面校准和风洞试验时双固支部件天平与校准支杆和飞行器模型支撑件的准确定位和可靠连接。

从图1、图2、图3中可以看出：自由端8上设置基准面Ⅰ23，基准面Ⅰ23与左测量段6、右测量段10有限定的位置关系，在地面校准或风洞试验时，基准面I23作为基准，保证双固支部件天平与校准接头或飞行器模型被测部件的安装状态。

从图1、图2、图3、图4、图5中可以看出：为了将双固支部件天平的引线引出到左耳片1位置，同时尽可能加强双固支部件天平的强度和刚度，在左耳片1上设置引线槽I16，在左耳片1、左下限位2上设置引线槽II17，在左上限位4上设置引线槽III18，在左上限位4和左固定端5上设置引线槽IV19，左过渡段7、自由端8、右过渡段9上引线槽V20，为了减小引线槽I16、引线槽II17、引线槽III18、引线槽IV19、引线槽V20的空间尺寸，引线选用全部选用漆包线且在左测量段左端面处共用电源线。

从图8中可以看出：X、Mz、Z、Mx、My分量均采用双电桥。双固支部件天平轴向距离相对较大，左测量段6和右测量段10之间的距离较大，因而两个测量段也会存在相对较大的温度梯度。左测量段6、右测量段10的应变计分别组桥可以减小风洞试验时温度效应对测量数据的影响，提高双固支部件天平的测量精准度。在设计应变一定的情况下，采用双电桥可以使设计输出提高一倍，可以提高双固支部件天平的测量精准度。粘贴在右测量段10上、下两面的电阻应变计组成M1电桥，粘贴在左测量段6上、下两面的电阻应变计组成M2电桥，粘贴在右测量段10前、后两面的电阻应变计组成M3电桥，粘贴在左测量段6前、后两面的电阻应变计组成M4电桥，粘贴在右测量段10前、后两面中间位置的电阻应变计组成M5电桥，粘贴在左测量段6前、后两面中间位置的电阻应变计组成M6电桥，ΔU_X＝ΔU₁+ΔU₂，

ΔU_Z＝ΔU₃+ΔU₄，

风洞试验过程中，作用在飞行器模型被测部件上的空气动力载荷使本发明的双固支部件天平的测量装置产生相应的变形，设置在上述测量装置上的应变计也产生相应的变形，从而惠斯顿全桥测量电路的电阻发生变化，各产生了一个电阻增量，该电阻增量由惠斯顿全桥电路转换成电压信号增量，将这个电压信号增量通过计算机处理后就实现了对作用在飞行器模型被测部件上的空气动力载荷：轴向力X分量、俯仰力矩Mz分量、侧向力Z分量、滚转力矩Mx分量、偏航力矩My分量的精确测量。

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，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (3)

1.一种双固支部件天平，其特征在于，所述的双固支部件天平为钢件组合结构，左耳片(1)和右耳片(15)位于钢件组合结构的左、右两端，元件位于中段；

元件由从左至右顺序连接的左固定端(5)、左测量段(6)、左过渡段(7)、自由端(8)、右过渡段(9)、右测量段(10)、右固定端(11)组成；元件的左固定端(5)通过左铰链(3)安装在左耳片(1)的上部，元件的右固定端(11)通过右铰链(13)安装在右耳片(15)的上部；左固定端(5)与左耳片(1)之间、右固定端(11)与右耳片(15)之间均设置有缝隙(27)；

自由端(8)的上部设置有水平的基准面Ⅰ(23)，基准面Ⅰ(23)设置有销孔(21)和螺钉孔(22)，基准面Ⅰ(23)通过销孔(21)采用销定位、通过螺钉孔(22)采用螺钉拉紧的方式与飞行器模型被测部件固定连接；

在左测量段(6)、右测量段(10)上分别设置有用于转换为电压信号的电阻应变计；左测量段(6)、右测量段(10)的电阻应变计对应组合构成轴向力X分量、俯仰力矩Mz分量、侧向力Z分量、滚转力矩Mx分量、偏航力矩My分量的测量装置；右测量段(10)的电阻应变计的导线从右测量段(10)引出，经右过渡段(9)、自由端(8)、左过渡段(7)、左测量段(6)后并入左测量段(6)的电阻应变计的导线，全部导线再经左固定端(5)、左耳片(1)引出双固支部件天平，沿途在左过渡段(7)、自由端(8)、右过渡段(9)上设置引线槽Ⅴ(20)、在左上限位(4)和左固定端(5)上设置引线槽Ⅳ(19)，在左上限位(4)上设置引线槽Ⅲ(18)，在左耳片(1)、左下限位(2)上设置引线槽Ⅱ(17)，在左耳片(1)上设置引线槽Ⅰ(16)；

左耳片(1)和右耳片(15)的上部分别设置有左下限位(2)和右下限位(14)，左固定端(5)和右固定端(11)的侧面下部分别设置有左上限位(4)和右上限位(12)，各限位用于限定元件受力变形引起的铰链转动的极限位置；左耳片(1)和右耳片(15)的上部分别设置有相互对应的1个台阶通孔，左耳片(1)和右耳片(15)的下部分别设置有另1个相互对应的台阶通孔，台阶通孔靠近内侧的通孔内径小于靠近外侧的通孔内径，靠近内侧的通孔为圆柱孔Ⅰ(24)、靠近外侧的通孔为圆柱孔Ⅱ(25)，台阶端面为竖直的基准面Ⅱ(26)；基准面Ⅱ(26)用于定位，圆柱孔Ⅱ(25)通过柱轴与飞行器模型或者校准支杆的固定端固定连接。

2.根据权利要求1所述的双固支部件天平，其特征在于，所述的左上限位(4)、左固定端(5)、左过渡段(7)、右过渡段(9)、右固定端(11)和右上限位(12)的外型相同，均为半圆柱体，半圆柱体的剖面的上部为圆弧、下部为矩形。

3.根据权利要求1所述的双固支部件天平，其特征在于，所述的左测量段(6)和右测量段(10)均为方形体；轴向力X分量、俯仰力矩Mz分量、侧向力Z分量、滚转力矩Mx分量、偏航力矩My分量均采用双电桥，粘贴在右测量段(10)上下两面的电阻应变计组成M1电桥，粘贴在左测量段(6)上下两面的电阻应变计组成M2电桥，粘贴在右测量段(10)前后两面的电阻应变计组成M3电桥，粘贴在左测量段(6)前后两面的电阻应变计组成M4电桥，粘贴在右测量段(10)前后两面中间位置的电阻应变计组成M5电桥，粘贴在左测量段(6)前后两面中间位置的电阻应变计组成M6电桥；

各电桥具有以下公式：

其中，ΔU_X为轴向力X分量的受载输出增量，

为俯仰力矩Mz分量的受载输出增量，ΔU_Z为侧向力Z分量的受载输出增量，

为滚转力矩Mx分量的受载输出增量，

为偏航力矩My分量受载输出增量，ΔU₁为M1电桥的受载输出增量，ΔU₂为M2电桥的受载输出增量，ΔU₃为M3电桥的受载输出增量，ΔU₄为M4电桥的受载输出增量，ΔU₅为M5电桥的受载输出增量，ΔU₆为M6电桥的受载输出增量。

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