CN115077853B - 一种用于风洞喷流实验的六分量天平及其应用方式 - Google Patents

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Abstract

本发明属于风洞实验测试装置技术领域，公开了一种用于风洞喷流实验的六分量天平及其应用方式。该六分量天平整体为管式结构，前段为与模型发动机喷管固定连接的喷管连接法兰，中段为测量段，后段为与供气管路固定连接的供气管路连接法兰，六分量天平的中心轴线上开有通孔，通孔为喷流介质气体的供气管路；测量段设置有阻力元应变腔，阻力元应变腔内设置有阻力应变梁。应用方式包括中置阻力元应变腔六分量天平和前置阻力元应变腔六分量天平。该六分量天平采用阻力元应变腔来解决喷流供气管路传力和模型阻力难以测量的难题，校准方法和过程比较简单，天平尺寸小、通用性强，可以广泛应用于飞行器风洞喷流实验。

Description

一种用于风洞喷流实验的六分量天平及其应用方式
技术领域
本发明属于风洞实验测试装置技术领域，具体涉及一种用于风洞喷流实验的六分量天平及其应用方式。
背景技术
风洞天平是风洞中用以测量气流作用在模型上的空气动力和力矩的测量设备，它能将空气动力和力矩沿三个相互垂直的坐标轴系分解并进行精确测量。其工作机制如下：风洞天平在结构上设计有感应特定载荷作用下产生应变的结构弹性元件，如升力元、阻力元等。在这些结构弹性元件上，粘贴有电阻式应变片并组成惠斯顿电桥，每个电桥都主要针对一个自由度上的载荷，根据各电桥的电信号输出可以计算得到作用在实验模型上的气动力和力矩。风洞天平从结构形式上分为内式天平和外式天平，其中内式天平又分为杆式天平和环式天平。风洞天平是风洞实验的主要测试设备之一，在航空航天领域有着广泛的应用背景。
风洞喷流测力实验是飞行器风洞实验的主要内容之一，一般采用高压空气或混合气体来模拟飞行器发动机燃烧气体，喷流气体沿供气管路进入实验模型，并从发动机喷管喷出；采用测力天平来测量飞行器模型的气动力和力矩，从而获得喷流对飞行器气动特性的干扰特性。风洞喷流测力实验的难点在于如何解决喷流供气管路对测力天平的干扰问题，这主要是因为高压供气管路与模型发动机喷管必须密封连接，模型气动力必然沿高压供气管路传递，导致天平无法测量模型气动力和力矩。目前一般采用三种方案来解决该问题：一是采用供气管路与杆式天平分离方案，供气管路中间安装柔性波纹管来消除力的传递；二是采用供气管路与环式天平一体化方案，环式天平中间安装波纹管来消除力的传递；三是采用管式天平，参见中国专利文献库公开的《一种横向喷流四分量管式风洞天平（ZL201921614241.X）》。前两种方案必须对波纹管干扰特性进行复杂的定量校准，并且波纹管承压有限，应用限制较多；《一种横向喷流四分量管式风洞天平（ZL201921614241.X）》中的管式天平仅做到了四分量，不能测量实验模型全部三自由度的气动力和力矩。
当前，亟需发展一种用于风洞喷流实验的六分量天平及其应用方式。
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喷流实验的六分量天平；本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种用于风洞喷流实验的中置阻力元应变腔六分量天平；本发明所要解决的再一个技术问题是提供一种用于风洞喷流实验的前置阻力元应变腔六分量天平。
本发明的用于风洞喷流实验的六分量天平，其特点是，所述的六分量天平整体为管式结构，六分量天平的前段为与模型发动机喷管固定连接的喷管连接法兰，六分量天平的中段为测量段，六分量天平的后段为与供气管路固定连接的供气管路连接法兰，六分量天平的中心轴线上开有通孔，通孔为喷流介质气体的供气管路；六分量天平的测量段设置有阻力元应变腔，阻力元应变腔内设置有阻力应变梁。
本发明的用于风洞喷流实验的中置阻力元应变腔六分量天平，其特点是，所述的用于风洞喷流实验的中置阻力元应变腔六分量天平从前到后依次包括喷管连接法兰、天平前组合应变梁、阻力元应变腔、天平后组合应变梁和供气管路连接法兰；阻力元应变腔为圆筒形空腔，阻力元应变腔内设置有4根竖直排列的、矩形的阻力应变梁，阻力应变梁上粘贴应变片，用于测量模型上的轴向力；天平前组合应变梁包括一组中心对称分布的4根与中心轴线平行的矩形梁，天平后组合应变梁包括另一组中心对称分布的4根水平矩形梁，两组矩形梁一一对应，两组矩形梁上对应粘贴应变片，用于测量模型上的法向力、侧向力、俯仰力矩、偏航力矩和滚转力矩。
本发明的用于风洞喷流实验的前置阻力元应变腔六分量天平，其特点是，所述的用于风洞喷流实验的前置阻力元应变腔六分量天平从前到后依次包括喷管连接法兰、阻力元应变腔、天平前组合应变梁、天平后组合应变梁和供气管路连接法兰；阻力元应变腔为圆筒形空腔，阻力元应变腔内设置有4根竖直排列的、矩形的阻力应变梁，阻力应变梁上粘贴应变片，用于测量模型上的轴向力；天平前组合应变梁包括一组中心对称分布的4根与中心轴线平行的矩形梁，天平后组合应变梁包括另一组中心对称分布的4根水平矩形梁，两组矩形梁一一对应，两组矩形梁上对应粘贴应变片，用于测量模型上的法向力、侧向力、俯仰力矩、偏航力矩和滚转力矩。
本发明的用于风洞喷流实验的六分量天平采用阻力元应变腔来解决喷流供气管路传力和模型阻力难以测量的难题，阻力元应变腔在天平受到轴向载荷时能够产生足够的应变，同时也能够承受一定的喷流压力。尽管阻力元应变腔在喷流供气压力作用下会产生应变，但应变仅对天平阻力元产生影响，对法向力元、侧向力元、俯仰力矩元、偏航力矩元和滚转力矩元不产生干扰；而且，由于天平阻力元主项系数是喷流供气压力的函数，仅需要针对不同供气压力进行校准，就能够修正喷流供气压力的影响，校准方法和校准过程也比较简单。另外，本发明的用于风洞喷流实验的六分量天平尺寸小、通用性强，可以广泛应用于飞行器风洞喷流实验。
附图说明
图1为实施例1的用于风洞喷流实验的中置阻力元应变腔六分量天平的主体结构示意图（等轴测视图）；
图2为实施例1的用于风洞喷流实验的中置阻力元应变腔六分量天平的主体结构示意图（主剖面图）；
图3为实施例2的用于风洞喷流实验的前置阻力元应变腔六分量天平的主体结构示意图（等轴测视图）；
图4为实施例2的用于风洞喷流实验的前置阻力元应变腔六分量天平的主体结构示意图（主剖面图）。
图中，1.模型发动机喷管；2.喷管连接法兰；3.天平前组合应变梁；4.阻力应变梁；5.阻力元应变腔；6.天平后组合应变梁；7.供气管路连接法兰。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明。
本发明的用于风洞喷流实验的六分量天平为管式结构，六分量天平的前段为与模型发动机喷管1固定连接的喷管连接法兰2，六分量天平的中段为测量段，六分量天平的后段为与供气管路固定连接的供气管路连接法兰7，六分量天平的中心轴线上开有通孔，通孔为喷流介质气体的供气管路；六分量天平的测量段设置有阻力元应变腔5，阻力元应变腔5内设置有阻力应变梁4。
实施例1
如图1、图2所示，本实施例的阻力元应变腔位于测量段的中部，获得了一种用于风洞喷流实验的中置阻力元应变腔六分量天平；所述的用于风洞喷流实验的中置阻力元应变腔六分量天平从前到后依次包括喷管连接法兰2、天平前组合应变梁3、阻力元应变腔5、天平后组合应变梁6和供气管路连接法兰7；阻力元应变腔5为圆筒形空腔，阻力元应变腔5内设置有4根竖直排列的、矩形的阻力应变梁4，阻力应变梁4上粘贴应变片，用于测量模型上的轴向力；天平前组合应变梁3包括一组中心对称分布的4根与中心轴线平行的矩形梁，天平后组合应变梁6包括另一组中心对称分布的4根水平矩形梁，两组矩形梁一一对应，两组矩形梁上对应粘贴应变片，用于测量模型上的法向力、侧向力、俯仰力矩、偏航力矩和滚转力矩。
本实施例的阻力应变梁4和阻力元应变腔5位于天平的中间，天平前组合应变梁3和天平后组合应变梁6分别布置于阻力元应变腔5的两侧。本实施例把阻力元应变腔5布置在天平校心附近，有利于减小其他应变元对阻力元的干扰；缺点是天平元件加工比较复杂，需要分段焊接。
实施例2
如图3、图4所示，本实施例的阻力元应变腔位于测量段的前部，获得了一种用于风洞喷流实验的前置阻力元应变腔六分量天平；所述的用于风洞喷流实验的前置阻力元应变腔六分量天平从前到后依次包括喷管连接法兰2、阻力元应变腔5、天平前组合应变梁3、天平后组合应变梁6和供气管路连接法兰7；阻力元应变腔5为圆筒形空腔，阻力元应变腔5内设置有4根竖直排列的、矩形的阻力应变梁4，阻力应变梁4上粘贴应变片，用于测量模型上的轴向力；天平前组合应变梁3包括一组中心对称分布的4根与中心轴线平行的矩形梁，天平后组合应变梁6包括另一组中心对称分布的4根水平矩形梁，两组矩形梁一一对应，两组矩形梁上对应粘贴应变片，用于测量模型上的法向力、侧向力、俯仰力矩、偏航力矩和滚转力矩。
本实施例的阻力应变梁4和阻力元应变腔5位于靠近模型喷管的一侧，天平前组合应变梁3和天平后组合应变梁6分别布置于阻力元应变腔5的后面。本实施例的优点是天平元件加工难度较小，但天平元件尺寸较长，并且其他应变元对阻力元的干扰较大。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不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 (3)

1.一种用于风洞喷流实验的六分量天平，其特征在于，所述的六分量天平整体为管式结构，六分量天平的前段为与模型发动机喷管（1）固定连接的喷管连接法兰（2），六分量天平的中段为测量段，六分量天平的后段为与供气管路固定连接的供气管路连接法兰（7），六分量天平的中心轴线上开有通孔，通孔为喷流介质气体的供气管路；六分量天平的测量段设置有阻力元应变腔（5），阻力元应变腔（5）为圆筒形空腔，阻力元应变腔（5）内设置有4根竖直排列的、矩形的阻力应变梁（4），阻力应变梁（4）上粘贴应变片，用于测量模型上的轴向力；六分量天平的测量段还设置有天平前组合应变梁（3）和天平后组合应变梁（6），天平前组合应变梁（3）包括一组中心对称分布的4根与中心轴线平行的矩形梁，天平后组合应变梁（6）包括另一组中心对称分布的4根水平矩形梁，两组矩形梁一一对应，两组矩形梁上对应粘贴应变片，用于测量模型上的法向力、侧向力、俯仰力矩、偏航力矩和滚转力矩；
阻力元应变腔（5）在六分量天平受到轴向载荷时产生应变，同时承受喷流压力。
2.一种用于风洞喷流实验的中置阻力元应变腔六分量天平，包括如权利要求1所述的用于风洞喷流实验的六分量天平，其特征在于，所述的用于风洞喷流实验的中置阻力元应变腔六分量天平从前到后依次包括喷管连接法兰（2）、天平前组合应变梁（3）、阻力元应变腔（5）、天平后组合应变梁（6）和供气管路连接法兰（7）。
3.一种用于风洞喷流实验的前置阻力元应变腔六分量天平，包括如权利要求1所述的用于风洞喷流实验的六分量天平，其特征在于，所述的用于风洞喷流实验的前置阻力元应变腔六分量天平从前到后依次包括喷管连接法兰（2）、阻力元应变腔（5）、天平前组合应变梁（3）、天平后组合应变梁（6）和供气管路连接法兰（7）。
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